美國量子研發布局對我國的啟示 *

周君璧 董 瑜 ，，2

（1.中國科學院文獻情報中心，北京 100190；2.中國科學院大學經濟與管理學院，北京 100190）

當今世界正經歷百年未有之大變局，主要國家基本都在著手構建或調整人工智能、量子科技、先進制造、生物技術和先進通信網絡等新興和未來產業的研發布局。以量子為例，美國在2018年12月發布《國家量子倡議法案》后新建了10家量子研發機構，并于2020年發布《美國量子網絡戰略遠景》等量子專項戰略［1］；英國于2014年啟動《國家量子技術計劃》國家戰略［2］，新建4個國家量子技術中心，以加快量子技術的商業化；法國于2021年啟動《量子技術國家戰略》［3］，宣布5年內投資18億歐元來促進國立科研機構和企業的量子聯合研發；德國于2021年制定了《量子計算路線圖》，并啟動慕尼黑量子谷研究集群計劃［4，5］；我國“十四五”規劃綱要中也提出謀劃布局量子信息技術?？傮w上，歐美國家大都形成了國家層面的量子戰略規劃，特別是美國，從《國家量子倡議法案》后新建立的量子專門研發機構，到2022年8月《芯片與科學法案》通過后繼續加大對量子科技的商業化支持力度來看，已經形成了量子領域從基礎研究到商業化的研發全覆蓋。本研究將梳理美國在量子領域的兩部重要法案和在量子領域取得的成就，分析美國自上而下的量子研發體系特點，提出對我國的量子乃至其他關鍵技術領域的研發布局參考建議。

1 美國兩部量子法案概況

2018年，白宮科技政策辦公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP）發布美國第一個全國性量子信息科學（Quantum Information Science，QIS）戰略計劃，就QIS的6個政策優先事項（科學、勞動力、基礎設施、工業、經濟和國家安全以及國際合作），為政府、私營部門和學術界提供技術指導，以鞏固美國在QIS領域的領導地位［6］。同年12月，美國國會通過《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act，NQI），以法律形式確定了量子領域的戰略研發布局、QIS的國家資助以及聯邦機構之間的合作。NQI是一部專門的授權法案，由美國前總統特朗普簽署，規定在2019—2023財年向美國能源部（Department of Energy，DOE）、美國國家科學基金（National Science Foundation，NSF）和國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）等聯邦機構提供12.75億美元的資金支持，用于QIS領域的基礎研究、勞動力培養和產業聯盟建設。數據顯示，在2017財年以前，美國聯邦每年投入到量子領域的研發資金大約2億美元，NQI實施后則呈現上漲態勢，2019財年4.5億美元，2020財年5.8億美元，2021財年7.1億美元［7］，年均增長率25.65%。

NQI主要授權新建三個項目［8］：1）QIS研究中心。授權DOE牽頭建立5個研究中心，并向每個中心提供2500萬美元／年的資助，持續5年資助期滿后將根據評估結果繼續提供5年資助。超過70個實驗室、大學和私人公司參與QIS研究中心建設，截至2022年8月已吸引了行業和學術投資約3.4億美元，同時許多大學擴大了量子技術的學位課程。2）量子躍遷挑戰研究所（Quantum Leap Challenge Institutes，QLCI）。授權NSF牽頭建立5個跨學科的量子躍遷挑戰研究所，功能是量子研究和教育，向每個中心提供1000萬美元／年的資助，持續5年。QLCI涵蓋了傳感、網絡、計算、模擬器、生物物理學和工程5個主題的研究。NSF從2019年7月起開始推進QLCI項目，分為兩種類型的資助，（1）為期12個月的概念化贈款，以支持跨團隊性質的融合研究合作；（2）為期5年的躍遷挑戰研究所獎項，以支持新建立的量子研究所促進多學科融合，實現科學、技術和教育勞動力發展目標。3）量子經濟發展聯盟（Quantum Economic Development Consortium，QED-C）。授權NIST牽頭建立量子經濟發展聯盟，并提供8000萬美元／年的資助，持續5年，以加速量子技術的商業化應用 。QED-C由企業、政府部門、學術機構、聯邦資助的研發中心（Federally Funded Research and Development Centers，FFRDC）等組成，截至2022年8月共有239家成員，其中企業成員占比超60%，既包括行業巨頭，也包括科技型初創企業、咨詢服務和科技服務類公司；政府部門和學術機構成員分別占15%，其中政府涵蓋了能源部、商務部、軍隊、美聯儲等部門，學術機構主要為美國開設量子學科的大學；FFRDC主要為DOE下屬的國家實驗室，占比約4%［9］。

《芯片與科學法案》（CHIPS and Science Act，CHIPS）是2022年8月9日通過的一部綜合性法案，執行期為2023—2027財年，由美國總統拜登簽署。CHIPS授權對核心量子研究計劃進行追加投資，以加速量子商業化、增加量子勞動力，并通過投資新的基礎設施實現尖端研發。CHIPS中涉及量子的部分約為7.728億美元，共有四個計劃為量子科技提供直接資助［10］：1）量子網絡基礎設施計劃：每年投入1億美元授權DOE對量子網絡基礎設施進行投資，包括量子網絡相關基礎研究、實驗工具和測試平臺開發，以及潛在的量子網絡應用研究，持續5年；2）量子用戶科技擴展計劃：第一年撥款3000萬美元，并以年均1.05%的速度遞增，授權DOE擴大量子計算設施設備的使用，鼓勵用戶使用美國量子計算硬件和云設施，5年共計約1.658億美元；3）量子網絡通信研究與標準化：每年撥款1500萬美元，授權NIST開展支持量子網絡、量子通信和量子傳感網絡的標準研究，持續5年；4）下一代量子領袖試點計劃：在2023—2026財年每年撥款800萬美元，授權NSF提升教師和學生量子力學的知識儲備，培養量子未來勞動力，持續4年。

NQI和CHIPS兩部法案授權直接撥款約20.48億美元，具體的授權項目和金額見表1。

表1 美國兩部法案授權的量子項目1）Tab.1 U.S. Quantum Projects Authorized by Two Acts1）

NQI對研發的公共投資為量子前沿科學與技術突破奠定了科學基礎，通過投資新建研發組織、協調組織和產業化組織，搭建起量子研發布局的基礎框架。CHIPS則在NQI的基礎上，授權大量投資補充基礎設施和勞動力短板，加大對量子技術和商業化的支持力度，加速產業化進程。例如，CHIPS授權NSF建立技術、創新和伙伴關系理事會（Technology，Innovation and Partnerships，TIP），以加速新興技術從實驗室向市場過渡，提升美國在未來產業領域的競爭力［11］，在量子領域主要的商業化目標包括建造量子超級計算機和量子互聯網。無論是NQI還是CHIPS，都是美國國家意志在量子科技領域體現，具體措施包括：1）采取協調研發的工作方式：美國實行的是政府和全社會的綜合戰略，通過聯邦投資QIS研究項目，建立政府各部門之間、政府與行業之間、政府與學術機構之間的伙伴關系［12］，有利于技術轉讓和商業化；2）側重教育和勞動力培養：將量子科學納入大學的學術課程，強化政府機構和工業界的合作，培育多元化的科學家和工程師，以滿足美國量子領域的勞動力需求；3）強化相關領域制造協同：CHIPS法案也支持光子學、納米制造、低溫和半導體系統的發展，為發現新的量子應用、制造量子組件、設計與經典半導體制造設施兼容的量子芯片工藝提供了間接支持；4）鼓勵與盟友國家的研究合作：2019—2022年，美國與日本、英國、澳大利亞、芬蘭、瑞典等海外盟國和伙伴簽署了合作協議，開展QIS學術合作。

2 美國量子科技成就與研發布局特點

2.1 科技成就

美國在量子科技領域取得了世界領先地位。綜合2022年蘭德公司和日本科學技術振興機構研究開發戰略中心發布的兩份報告，美國的優勢主要集中在：1）論文總數、高被引論文數量多，研究高度全球化。1990—2021年，美國發表了約3.9萬篇量子領域論文，而我國同期為2.9萬篇；美國在量子計算和量子通信領域的高被引論文總量位居全球首位；從研究全球化角度，美國大約一半的研究論文為國際合作產出，合作論文數高于其他國家，主要合作國家包括加拿大、歐洲［13］。2）研究領域全面均衡。美國論文幾乎囊括了量子的所有子領域，在量子傳感、量子計算、量子通信領域均處于或接近全球前沿，整體科研產出廣泛、穩定、均衡。而我國在量子通信具有優勢，量子計算與美國的差距正在縮小，量子傳感則與美國差距明顯［14］。3）企業研發實力強。美國量子專利申請排名前十的機構包括IBM、惠普、AT&T、寶潔、霍尼韋爾、柯達等大型公司，以及MagiQ、D-Wave Systems等聚焦量子的公司［14］。從核心技術掌握情況來看，既有谷歌、IBM這樣的大型企業，又有ColdQuanta、PsiQuantum這樣的初創公司。相比較，我國不僅在量子企業數量上與美國相差巨大，來源也集中在合肥科大系孵化的量子企業，吸引的風險資本僅相當于美國的3%，在量子研發上也處于相對弱勢地位。

盡管量子研究起步稍晚于美國，但我國在量子科技領域的進步較快。從2017年開始，我國每年發表的量子論文數量開始反超美國；從專利數量來看，1990—2021年，我國有超6000件量子專利，數量排名第一位，高于美國的3700件［13］。這帶來一個新的問題，為什么我國的專利數量居于首位，然而在成立初創公司和吸引風險資金的數量上卻遠少于美國？作為老牌科技強國，從美國進行的量子研發布局中或許可以找到答案。

2.2 研發布局特點

2016年，國家科學技術委員會（National Science and Technology Council，NSTC）量子信息機構間工作組發布報告指出，美國量子研究存在以下幾個突出問題：1）機構間合作制度障礙，量子研究機構之間缺少跨組織的合作研究；2）教育和勞動力不足，缺乏同時具備物理、計算機科學和數學等復合知識的人才；3）資金資助的穩定性不足，缺乏頂層機構協調聯邦量子項目支持；4）量子商業轉化不足，存在缺乏知識產權轉移的協議框架，與初創公司對接不暢等問題；5）新型量子材料的制造問題，生產制造規模難以滿足現有的量子發展需求［15］。這些問題正是量子倡議法案中重點解決的問題，包括在白宮層面設立頂層協調機構，建立跨組織、跨團隊的協作協調機制，培養量子領域的勞動力，建立量子經濟發展聯盟促進量子商業轉化等。這樣的根據存在問題制定政策的“發現問題-出臺法案-解決問題”模式，讓美國的量子研發機構布局和項目資助更具有針對性。

在《量子倡議法案》實施后，美國依托其國家實驗室和FFRDC等老牌戰略科技力量，加快布局了一批量子領域新型研發機構和研究團隊，自此，美國形成了以“頂層協調為引領，常設機構為基石，新設機構為中堅，產業聯盟為補充”的戰略研發布局（圖1）。

圖1 美國量子戰略研發布局全景Fig. 1 U. S. Quantum Strategic R&D Layout

1）由美國總統領銜，OSTP、NSTC領導的協調頂層生態，搭建起聯邦機構、大學、企業直接對話的渠道。聯邦層面的協調機構由總統直接掛帥，OSTP、NSTC等科技主管部門負責，多個聯邦業務機構負責人直接參與小組委員會和協調辦公室，能夠直接參與量子領域的頂層規劃、技術布局。作為《量子國家戰略構想》的起草部門［6］，NSTC下設有兩個技術管理委員會，量子信息科學小組委員會（Subcommittee on Quantum Information Science，SCQIS）和量子科學經濟和安全影響小組委員會（Subcommittee on the Economic and Security Implications of Quantum Science，ESIX），其中SCQIS主要由OSTP、NIST、NSF、DOE等聯邦機構成員任職，負責量子產業和商業化技術規劃；ESIX主要由OSTP、DOE、國防部（Department of Defense，DOD）、國家安全局（National Security Agency，NSA）等聯邦機構成員任職，負責國防領域的量子安全技術規劃、需求和評估。OSPT領導量子的協調和咨詢機構，國家量子協調辦公室（National Quantum Coordination Office，NQCO）由DOE、NSF、NIST、海軍研究實驗室等聯邦業務部門的管理層擔任；量子科學咨詢委員會（National Quantum Information Advisory Committee，NQIAC）則作為量子領域最高咨詢機構，由聯邦、國家實驗室、學術界、企業共同組成的不超過26人的成員構成，直接向總統和SCQIS、ESIX小組委員會提供咨詢建議。NQIAC的設立，形成了由政府、大學、企業利益相關者組成的政產學研固定聯席機制，讓總統可以直接聽到來自量子領域社會各界的聲音。國家層面的利益相關者廣泛參與，幫助美國在頂層搭建了良好的業務溝通和協調渠道，如圖1所示。

2）以能源部、國家實驗室、FFRDC、聯邦內設研究室（中心）、大學等常設機構為基石，資助高風險、高回報研究為補充的研發組合模式。憑借在先進科學計算、基礎能源科學、生物和環境研究、核聚變、核物理、高能物理以及同位素等基礎研究領域的獨特優勢，能源部科學辦公室在支持量子傳感、計算和網絡相關基礎設施和基礎科學，以及量子生態系統的建立方面發揮著支撐性作用。國家實驗室體系起源于二戰時期，經過幾十年的發展，已經成為美國集大科學裝置設施、基礎研究、技術開發和成果轉化、研發資助為一體的戰略科技力量，量子作為國家實驗室的優先事項，通過主任理事會等方式進行了重點研發部署。FFRDC由NSF進行信息維護和管理，就量子領域的布局而言，美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）領導的艾姆斯研究中心主要布局量子計算，DOD海陸空三軍研究中心主要布局量子國防安全領域。國家安全局內設的物理實驗室和NIST內設的物理測量實驗室則主要布局量子基礎研究。以上作為美國的“國家隊”，擁有大型實驗裝備、設施，是量子研究的基石。同時，聯邦意識到由于量子科技處于研究早期，應該進行多元化投資組合，哪怕只有少數會獲得回報，但這些少數的成功可能有一天會帶來顛覆性結果。因此，國防部高級研究局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）和情報高級研究局（Intelligence Advanced Research Project Agency，IAPRA）在量子計算、人工智能和交叉前沿領域提供高風險、高回報的競爭性資助作為補充。

3）以聯邦常設機構為技術依托，以有期限資助的方式靈活設立新型研發機構（中心），建立以解決量子重大研究問題為目標的新型研發伙伴關系。就量子領域新設立的研發機構來看，聯邦資助體系發揮著重要作用。按照美國聯邦通常的資助習慣，一般是按照4～6年為一期進行的，并可按照評估結果進行動態調整。例如，DOE負責資助5個量子研究中心，5年期滿后可以根據評估結果繼續申請資助，能源部長可以在執行期間隨時終止表現不佳的中心；NSF負責依托5所大學資助QLCI，到期經過評估后同樣可選擇是否繼續資助。新型研發機構的運行下放到各個大學或國家實驗室，避免了政府直接管理帶來的效率不高問題，同時聯邦資助又保證了研究方向符合政府的定位。國家實驗室可利用分包合同、合作研究開發協議、戰略伙伴關系項目和技術商業化協議等一系列靈活的工具資助量子研究，敦促承包方注重研發效率與效益，形成競爭機制，同時，與大學的合作可以更好地進行勞動力培養。例如，NIST與頂尖大學合作設立量子聯合研究所，共同推進量子科技的研究和教育：與馬里蘭大學物理系合作共建量子信息與計算機科學聯合中心（Joint Center for Quantum Information and Computer Science，QuICS）和聯合量子研究所（Joint Quantum Institute，JQI），圍繞量子計算機科學、量子信息理論、測量和傳感開展研究；與科羅拉多大學博爾分校共建JILA聯合實驗室，圍繞基礎量子科學、量子技術開展研究，并培訓量子勞動力。這些新設立的研發機構依據自身的能力和使命定位，幫助量子研發團隊聚集在一起，更快地探索量子前沿，取得突破性成果。

4）以產業聯合體帶動量子企業研發，依托各類項目和機構打造跨部門人才培養機制，實現人才、項目、產業聯動發展。量子企業高度參與研發是美國的重要特征，也是實驗室研發的有利補充。據統計，美國在量子領域至少有182家企業，且大多數是2017年以后成立的初創企業，主要集中在量子計算領域［14］。美國吸引風險投資前20的量子計算企業累計吸引12.8億美元，這些民間資本能有效補充政府研發的不足。量子企業高度參與研發與NIST每年投入8000萬美元組建的QED-C密不可分。QED-C旨在促進和發展量子產業，同時制定量子的測度和網絡安全等技術標準，協商技術商業化事項。企業的高度參與能夠讓量子技術研發走出政府資助的實驗室，還能以項目為紐帶培育未來勞動力，組成的利益相關者研發網絡盤活了人才培養和交流機制。美國將量子領域的勞動力發展作為優先事項，通過美國聯邦機構、學術界、專業協會、非營利組織、企業之間的合作伙伴關系和獎學金項目，聚集培養了大批量子領域科學家、工程師和企業家。例如，NIST聯合量子企業通過開展暑期高中實習生項目、暑期本科生研究獎學金項目、博士后項目等，為各個階段的量子勞動力發展提供支持。美國能源部除了為師生提供在實驗室進行研究的機會之外，還資助特定的勞動力發展活動。國防部各軍種的基礎研究機構通過研究生獎學金計劃、實驗室大學合作計劃等，鼓勵美國研究生參與量子計算相關的研究。

3 對我國的啟示建議

作為未來產業，盡管量子科技距離技術成熟仍然有很大一段距離，但一旦成功部署，產生的影響也是顛覆性的。隨著芯片與科學法案的簽署，中美兩國在科技和產業的競爭將會更加激烈。美國聯邦機構中，NSF支持大學進行基礎研究，DOE組織關鍵核心技術攻關，DOD進行國防和安全領域的研究，NIST進行技術標準化研究，DARPA、IARPA等支持高風險、高回報的前沿技術的研發格局已經形成，加上法案推動下布局的專業化新型研發機構，聯合強大的企業研發力量，美國已經織起一張新興技術、未來技術的研發大網。而我國作為后發國家，國家實驗室體系建設處于起步階段，新型研發機構的建設路徑仍在探索，企業的研發實力有待提升，應當借鑒美國在量子領域的戰略研發布局，尤其是在量子技術商業化和量子初創企業培育方面的經驗，盡快打牢基礎研發力量，布局新興研發力量，強化企業研發力量，形成產學研用資協同的研發體系。針對我國的實際情況，提出如下建議。

1）加快國家實驗室等戰略科技力量建設。由科技部統一部署，中央和地方共同出資，從中國科學院、研究型大學中遴選出一批科研實力強、科研設施設備完善的機構，試點以政府資助、機構運營模式設立國家實驗室，并設立國家實驗室主任理事會，領導小組辦公室設在科技部，筑牢戰略研究的底層基礎。

2）建立靈活支持、動態調整的新型研發機構。由科技部和地方科技部門共同支持，試點以研發合同（協議）模式設立一批面向關鍵技術攻關的新型研發機構（所、中心）。建立新型研發機構主任理事會制度，開發合理指標，以第三方評估的形式對新型研發機構進行定期評估，依據評估結果適時增減資助額度、調整資助期限，建立靈活有序、能進能出的新型研發機構資助體系。

3）設立頂層技術協調機構和咨詢機構。設立未來產業領導協調小組辦公室，由發改委、財政部、科技部、工信部、農業部、中國科學院、中國工程院、中國科協等主要業務部門組成，統籌未來產業技術、人才、規劃等調度協調事項。在國家層面建立常設咨詢委員會聯席制度，由國家實驗室、大學、企業等代表組成，定期向領導協調小組辦公室反饋建議。

4）加強企業培育和創新聯合體建設。鼓勵以大學衍生企業、新型研發機構孵化企業、科學家創業等多種方式加強量子、人工智能、半導體等關鍵領域的企業培育，盡快補足企業研發短板。由行業領軍企業牽頭，聯合大學、中國科學院、軍事科學院、航天科技、航天科工、中航集團等國防領域企業參與創新聯合體建設，在政產學研軍界形成研發、轉化和商業化的產業聯盟。

作者貢獻說明

周君璧：收集、整理資料，設計文章框架，撰寫文章初稿；

董 瑜：修改文章初稿，復審，把控文章質量。