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美智庫報告：中美戰略決戰－探索量子位元（第一部分：技術入門與美國現狀）
摘 要
近期，新美國安全中心（CNAS）發佈報告《量子位元的探索：評估中美在量子計算領域的競爭》，深入分析了量子技術的發展及其對國家安全的影響，特別是聚焦於美國和中國在該領域的競爭。
報告指出，量子資訊科學（QIS）和量子計算因其潛在的革命性影響而成為全球科技競爭的前沿。
美國需要製訂長期戰略來增強其在量子技術領域的競爭力，並確保技術發展與美國價值觀和利益一致。
報告提出了一系列關於供應鏈管理和勞動力發展的政策建議，強調了建立安全、可靠的量子技術供應鍊和培養熟練的量子工作力的重要性。
同時，報告比較了美國和中國在量子計算的優先事項、能力以及持續創新的潛力，指出儘管中國在某些方面取得了顯著進展，美國在多個量子計算模式中仍保持領先。
報告最後強調，為了確保美國在量子計算領域的持續競爭力，必須迅速採取行動，支援量子技術的發展，並建立全球量子生態系統，以利用技術的積極潛力並降低風險。
介 紹
美國和中國陷入了一場長期的地緣政治實力戰略競爭。一個關鍵的新興技術領域——量子資訊科學(QIS)——將在決定哪個國家獲勝方面發揮巨大作用。
科技是中美競爭的關鍵戰場。關鍵和新興技術——包括量子資訊系統、人工智慧、生物技術和半導體——是幫助各國促進其利益和最大限度提高其全球競爭力的工具。
正如國家安全顧問傑克·沙利文在2022年的一次演講中所承認的那樣，“科學技術的進步將決定21世紀的地緣政治格局。”
在QIS這個具有巨大經濟和軍事潛力的技術領域保持優勢，對美國來說尤其重要。多屆美國政府官員已將QIS確定為未來十年需要關注的領域。
量子技術可望支援醫療、金融和農業等行業的變革性進步。
量子電腦可以模擬複雜分子之間的相互作用，為更有效的藥物、診斷和疫苗鋪平道路。
它們還可以解釋金融數據和模型趨勢，極大地改善了投資組合優化、風險分析、欺詐檢測和資本組態。
量子電腦甚至可以在減緩氣候變化和促進永續發展方面發揮作用。
它們可以加速電池技術的改進，解鎖更環保的肥料製造工藝，並幫助解決電網優化問題。
現代生活的幾乎每個方面都將受益於量子電腦無與倫比的能力。
但量子電腦可能成為一把雙刃劍。
量子系統可以幫助提高軍隊和情報部門的精準性和殺傷力，使政府更容易識別和消除目標，或監視和鎮壓特定人群。
量子系統還可以幫助各國設計新武器，壓倒對手的防禦能力，或快速分析多個戰爭領域的資料。
許多新興技術都具有這種雙重用途的適用性，但量子技術的管理非常具有挑戰性——量子技術是一種相對較新的、快速發展的技術，其全部潛力尚未得到充分探索，甚至尚未被設想出來。
因此，量子技術的先發優勢是顯著的。
第一個掌握建造有用量子電腦流程的國家將不僅擁有強大的工具，第一個開發、擴展和整合量子技術的國家可以在建立市場主導地位、制定技術標準和製訂量子治理框架方面佔據上風。
量子技術有三個主要子集:量子計算、量子感測和量子通訊。
量子計算是其中的一個子集，迄今為止在美國獲得了最大份額的公共和私人資金，反映了它對美國國家安全的重要性。
可以說，這也是美國面臨最激烈競爭的細分市場。在QIS的三個子集中，量子計算擁有最多的競爭對手，最大的估計市場和全球最多的資金。
包括美國和中國在內，至少有17個國家製訂了支援量子計算研發(R&D)的國家戰略。
技術入門:什麼是量子?
20世紀的兩大進步——量子力學和資訊技術——在1980年代催生了量子資訊系統領域量子力學是物理學的一個分支，它描述原子和亞原子層級上的自然行為資訊技術包括使用所謂的經典電腦、數位通訊和相關裝置來大範圍地解決問題QIS透過利用「量子物理定律」來儲存、傳輸、處理和測量資訊，將這兩個領域結合起來。
從理論上講，QIS將提供克服經典資訊系統和技術的物理限制的能力，在一系列行業中開啟新的發現和創新。
量子計算是量子資訊系統的一個子集，它利用量子力學的定律來解決大型和複雜的問題，這些問題在經典電腦上是難以解決的。
量子電腦利用了幾種量子力學現象，使它們與經典電腦區別開來。
經典計算的基礎是二進位位，它們可以打開或關閉，只能存在於0或1的狀態中。
量子電腦基於量子位元，量子位元可以存在於多種狀態組合中。
這種現像被稱為疊加。疊加使量子電腦比經典電腦更強大。由於量子位元可以表示零、一或兩者的任意組合，因此量子位元的可能狀態數量遠遠超過二進位位元的可能性，從而使量子電腦具有更大的吸收、探索和處理資訊的能力。
然而，量子位元只能保持疊加，直到觀察，測量或不希望的環境幹擾發生，在這時，他們崩潰成一個單一的狀態。每個量子態都保持一定的機率，範圍在0到1之間。
量子干涉是指處於多重態疊加態的量子粒子相互作用的方式，是影響機率幅並使觀測或測量結果偏向特定態的一種方式。
干涉用於控制量子態、執行計算以及檢測和糾正計算錯誤。它還可以支援量子電腦計算速度的顯著提高。
想像一個「量子硬幣」闡明了疊加和乾涉的概念。傳統的硬幣只存在於兩種可能的狀態中的一種-正面或反面。
但是量子硬幣可以存在於這些經典態的疊加態中。當量子硬幣沒有被觀察或測量時，它可以是任何特定的正反組合。
一旦人們測量了量子硬幣--例如觀察拋硬幣的結果--量子硬幣就會坍縮成兩種狀態之一，正面或反面，干涉使觀察者能夠增加硬幣落在他們想要的結果上的可能性。
換句話說，干涉有助於對量子系統進行編程，使正確答案的可能性更大，錯誤答案的可能性更小。
糾纏是另一種獨特的量子現象，為量子電腦提供了無與倫比的能力和速度。
與具有獨立狀態的數字位元不同，糾纏量子位元以這樣一種方式相互關聯，即使被距離分開，一個量子位元的屬性也不能獨立於其他量子位元的屬性來描述。
糾纏的量子位元相互關聯，並作為一個連接的系統或單元發揮作用。
量子電腦缺乏通用功能，不會取代經典電腦進行廣泛的經典計算工作。
經典電腦將繼續在算術運算等簡單直接的任務以及網頁瀏覽、電子郵件通訊和文書處理等任務上優於量子電腦。量子電腦最適合特定應用。
他們預計將特別擅長解決優化，模擬和素數分解問題。
報告中提到了四種主要的量子計算模式，分別是：
超導量子位元（Superconducting Qubits）：利用接近絕對零度溫度下冷卻的電路中的量子力學特性來建立固態量子位元。
離子阱量子計算（Trapped Ions）：使用電磁場懸浮的帶電原子作為量子位元，透過光學和微波信號來操控它們的狀態。
光子量子計算（Photonics）：基於光子或光的粒子作為量子位元，利用雷射束和精細拋光的玻璃來產生糾纏的光子狀態。
中性原子量子計算（Neutral Atoms）：使用原子作為量子位元，透過真空室中的磁場和雷射來操控原子的電子能級。
這些模式各有優勢和挑戰，目前尚不清楚哪一種最終會實現具有實用價值的量子電腦。報告建議，為了確保在量子計算領域的競爭力，各國應該資助廣泛且多樣化的研發項目，涵蓋所有這些有潛力的硬體架構。
領先的量子計算模式的優缺點
美國現狀
美國的量子技術努力取決於兩項政策：量子資訊科學（國家量子戰略）和國家量子倡議（NQI）法案。
另外包括QIS勞動力發展國家戰略計劃，量子前沿報告和國家安全備忘錄-10（NSM-10）-補充了國家量子戰略和NQI，以推進美國在QIS的全球領導地位。
NQI最初於2018年頒布，闡述了美國執行國家量子戰略的計劃，並作為美國量子相關活動的藍圖。
NQI授權三個機構-國家標準與技術研究所（NIST），國家科學基金會(NSF)和能源部（DOE）-“建立中心和聯盟，並開展新的項目，以促進QIS的研發。”儘管NQI只針對NIST、NSF和DOE，但它是一個全政府項目，呼籲協調聯邦政府以及產業和學術界的QIS研發工作。截至2022年4月，共有23個聯邦機構參與了NQI。
根據國家量子戰略和NQI，美國政府已經「對基礎QIS研發進行了大量且持續的投資」。
美國政府的資助旨在促進幾種量子技術模式和應用的創新和探索。
因此，聯邦對量子技術的投資是廣泛而多樣的，跨越了幾個不同的機構和部門。
QIS研發支出的主要驅動力包括NQI法案所針對的三個機構-NIST、NSF和DOE-以及國防部、國土安全部和NASA。
另外，美國能源部透過建立五個國家量子資訊科學研究中心，幫助國家實驗室參與量子研發工作，其中包括：
由布魯克海文國家實驗室領導的量子優勢聯合設計中心（C2QA）專注於建構建立容錯量子電腦系統所需的工具;
由阿貢國家實驗室領導的下一代量子科學與工程（Q-Next），專注於如何可靠地控制、儲存和傳輸量子資訊;
由橡樹嶺國家實驗室領導的量子科學中心（QSC），專注於推進量子材料、傳感器和演算法;
由勞倫斯伯克利國家實驗室領導的量子系統加速器（QSA）專注於開發可擴展的量子系統;
由費米國家加速器實驗室領導的超導量子材料和系統中心（SQMS中心）專注於為下一代量子電腦開發超導材料和裝置。
能源部還資助了國家實驗室、大學和研究機構之間的各種量子研發合作。
例如，在2023年7月，美國能源部「宣佈為六個項目提供1,170萬美元的資金，以提高對量子計算是否、何時以及如何推進計算科學前沿的理解。
大學、研究機構和國家實驗室是美國量子技術生態系統的關鍵節點，不僅在技術開發方面發揮了關鍵作用，而且在擴大QIS培訓、教育和推廣方面也發揮了關鍵作用。
私營部門在推動美國量子技術創新和發展強大的量子技術生態系統方面也發揮了越來越重要的作用。由NQI資助的量子經濟發展聯盟（QEDC）-一個「旨在實現和發展量子產業」的利益相關者團體-截至2023年底，擁有182家企業成員。
美國的QIS生態系統
協調、監督和支援
美國眾議院和美國國會參議院、國家量子協調辦公室、科學和技術政策辦公室、量子資訊科學小組委員會、量子科學經濟和安全影響小組委員會、國家量子倡議諮詢委員會、美國國務院、聯邦調查局、美國專利和商標局
民用研發機構
美國國家科學基金會、美國能源部、美國國家標準與技術研究院、美國國家航空暨太空總署
軍事研發機構
國防部高級研究計畫局、陸軍研究辦公室、空軍科學研究辦公室、海軍研究辦公室、陸軍研究實驗室、海軍研究實驗室、空軍研究實驗室、國防部研究與工程部副部長辦公室
智慧研發機構
情報高級研究計畫活動、國家情報主任辦公室、物理科學實驗室、國家安全域、中央情報局、國土安全部
聯邦資助的國家實驗室
阿貢國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、勞倫斯柏克萊國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、費米國家加速器實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、太平洋西北國家實驗室 （稻香湖下午茶）