【优先发布】美国量子研发布局对我国的启示
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周君璧,?董瑜. 美国量子研发布局对我国的启示[J].世界科技研究与发展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2023.01.002.
周君璧 董瑜
（中国科学院文献情报中心）
摘要：自2018年12月《量子倡议法案》实施至2022年8月美国《芯片与科学法案》通过以来，美国联邦对量子科技的研发投入每年以25%的速度递增。本研究通过借鉴美国联邦量子科技的研发布局，提出对我国国家实验室体系和新型研发机构建设的启示建议，旨在为我国强化国家战略科技力量、健全新型举国体制提供参考。研究认为，美国形成了以“顶层协调为引领，常设机构为基石，新设机构为中坚，产业联盟为补充”的量子战略研发布局。建议我国打牢国家实验室等战略科技基础，灵活支持新型研发机构，建立顶层协调咨询机制，加快企业创新联合体建设。
关键词：量子战略；国家实验室；新型研发机构；芯片与科学法案；美国
当今世界正经历百年未有之大变局，主要国家基本都在着手构建或调整人工智能、量子科技、先进制造、生物技术和先进通信网络等新兴和未来产业的研发布局。以量子为例，美国在2018年12月发布《国家量子倡议法案》后新建了10家量子研发机构，并于2020年发布《美国量子网络战略远景》等量子专项战略；英国于2014年启动《国家量子技术计划》国家战略，新建4个国家量子技术中心，以加快量子技术的商业化；法国于2021年启动《量子技术国家战略》，宣布5年内投资18亿欧元来促进国立科研机构和企业的量子联合研发；德国于2021年制定了《量子计算路线图》，并启动慕尼黑量子谷研究集群计划；我国“十四五”规划纲要中也提出谋划布局量子信息技术。总体上，欧美国家大都形成了国家层面的量子战略规划，特别是美国，从《国家量子倡议法案》后新建立的量子专门研发机构，到2022年8月《芯片与科学法案》通过后继续加大对量子科技的商业化支持力度来看，已经形成了量子领域从基础研究到商业化的研发全覆盖。本研究将梳理美国在量子领域的两部重要法案和在量子领域取得的成就，分析美国自上而下的量子研发体系特点，提出对我国的量子乃至其他关键技术领域的研发布局参考建议。
1 美国两部量子法案概况
2018年，白宫科技政策办公室（Office of Science and Technology Policy, OSTP）发布美国第一个全国性量子信息科学（Quantum Information Science, QIS）战略计划，就QIS的6个政策优先事项（科学、劳动力、基础设施、工业、经济和国家安全以及国际合作），为政府、私营部门和学术界提供技术指导，以巩固美国在QIS领域保持领导地位。同年12月，美国国会通过《国家量子倡议法案》（National Quantum Initiative Act, NQI），以法律形式确定了量子领域的战略研发布局、QIS的国家资助以及联邦机构之间的合作。NQI是一部专门的授权法案，由美国前总统特朗普签署，规定在2019—2023财年向美国能源部（Department of Energy, DOE）、美国国家科学基金（National Science Foundation, NSF）和国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）等联邦机构提供12.75亿美元的资金支持，用于QIS领域的基础研究、劳动力培养和产业联盟建设。数据显示，在2017财年以前，美国联邦每年投入到量子领域的研发资金大约2亿美元，NQI实施后则呈现上涨态势，2019财年4.5亿美元，2020财年5.8亿美元，2021财年7.1亿美元，年均增长率25.65%。
NQI主要授权新建三个项目：1）QIS研究中心。授权DOE牵头建立5个研究中心，并向每个中心提供2500万美元/年的资助，持续5年资助期满后将根据评估结果继续提供5年资助。超过70个实验室、大学和私人公司参与QIS研究中心建设，目前已吸引了行业和学术投资约3.4亿美元，同时许多大学扩大了量子技术的学位课程。2）量子跃迁挑战研究所（Quantum Leap Challenge Institutes, QLCI）。授权NSF牵头建立5个跨学科的量子跃迁挑战研究所，功能是量子研究和教育，向每个中心提供1000万美元/年的资助，持续5年。QLCI涵盖了传感、网络、计算、模拟器、生物物理学和工程5个主题的研究。NSF从2019年7月起开始推进QLCI项目，分为两种类型的资助，（1）为期12个月的概念化赠款，以支持跨团队性质的融合研究合作；（2）为期5年的跃迁挑战研究所奖项，以支持新建立的量子研究所促进多学科融合，实现科学、技术和教育劳动力发展目标。3）量子经济发展联盟（Quantum Economic Development Consortium, QED-C）。授权NIST牵头建立量子经济发展联盟，并提供8000万美元/年的资助，持续5年，以加速量子技术的商业化应用 。QED-C由企业、政府部门、学术机构、联邦资助的研发中心（Federally Funded Research and Development Centers, FFRDC）等组成，目前共有239家成员，其中企业成员占比超60%，既包括行业巨头，也包括科技型初创企业、咨询服务和科技服务类公司；政府部门和学术机构成员分别占15%，其中政府涵盖了能源部、商务部、军队、美联储等部门，学术机构主要为美国开设量子学科的大学；FFRDC主要为DOE下属的国家实验室，占比约4%。
《芯片与科学法案》（CHIPS and Science Act, CHIPS）是2022年8月9日通过的一部综合性法案，执行期为2023—2027财年，由美国总统拜登签署。CHIPS法案授权对核心量子研究计划进行追加投资，以加速量子商业化、增加量子劳动力，并通过投资新的基础设施实现尖端研发。CHIP中涉及量子的部分约为7.728亿美元，共有四个计划为量子科技提供直接资助：1）量子网络基础设施计划：每年投入1亿美元授权DOE对量子网络基础设施进行投资，包括量子网络相关基础研究、实验工具和测试平台开发，以及潜在的量子网络应用研究，持续5年；2）量子用户科技扩展计划：第一年拨款3000万美元，并以年均1.05%的速度递增，授权DOE扩大量子计算设施设备的使用，鼓励用户使用美国量子计算硬件和云设施，5年共计约1.658亿美元；3）量子网络通信研究与标准化：每年拨款1500万美元，授权NIST开展支持量子网络、量子通信和量子传感网络的标准研究，持续5年；4）下一代量子领袖试点计划：在2023—2026财年每年拨款800万美元，授权NSF提升教师和学生量子力学的知识储备，培养量子未来劳动力，持续4年。
NQI和CHIPS两部法案授权直接拨款约20.48亿美元，具体的授权项目和金额见表1。
NQI对研发的公共投资为量子前沿科学与技术突破奠定了科学基础，通过投资新建研发组织、协调组织和产业化组织，搭建起量子研发布局的基础框架。CHIPS则在NQI的基础上，授权大量投资补充基础设施和劳动力短板，加大对量子技术和商业化的支持力度，加速产业化进程。例如，CHIPS授权NSF建立技术、创新和伙伴关系理事会（Technology, Innovation and Partnerships，TIP），以加速新兴技术从实验室向市场过渡，提升美国在未来产业领域的竞争力，在量子领域主要的商业化目标包括建造量子超级计算机和量子互联网。无论是NQI还是CHIPS，都是美国国家意志在量子科技领域体现，具体措施包括：1）采取协调研发的工作方式：美国实行的是政府和全社会的综合战略，通过联邦投资QIS研究项目，建立政府各部门之间、政府与行业之间、政府与学术机构之间的伙伴关系，有利于技术转让和商业化；2）侧重教育和劳动力培养：将量子科学纳入大学的学术课程，强化政府机构和工业界的合作，培育多元化的科学家和工程师，以满足美国量子领域的劳动力需求；3）强化相关领域制造协同：CHIP法案也支持光子学、纳米制造、低温和半导体系统的发展，为发现新的量子应用、制造量子组件、设计与经典半导体制造设施兼容的量子芯片工艺提供了间接支持；4）鼓励与盟友国家的研究合作：2019—2022年，美国与日本、英国、澳大利亚、芬兰、瑞典等海外盟国和伙伴签署了合作协议，开展QIS学术合作。
美国量子科技成就与研发布局特点
2.1 科技成就
美国在量子科技领域取得了世界领先地位。综合2022年兰德公司和日本科学技术振兴机构研究开发战略中心发布的两份报告，美国的优势主要集中在：1）论文总数、高被引论文数量多，研究高度全球化。1990—2021年，美国发表了约3.9万篇论文，而我国同期为2.9万篇；美国在量子计算和量子通信领域的高被引论文总量位居全球首位；从研究全球化角度，美国大约一半的研究论文为国际合作产出，合作论文数高于其他国家，主要合作国家包括加拿大、欧洲。2）研究领域全面均衡。美国论文几乎囊括了量子的所有子领域，在量子传感、量子计算、量子通信领域均处于或接近全球前沿，整体科研产出广泛、稳定、均衡。而我国在量子通信具有优势，量子计算与美国的差距正在缩小，量子传感则与美国差距明显。3）企业研发实力强。美国量子专利申请排名前十的机构包括IBM、惠普、AT&T、宝洁、霍尼韦尔、柯达等大型公司，以及MagiQ、D-Wave Systems等聚焦量子的公司。从核心技术掌握情况来看，既有谷歌、IBM这样的大型企业，又有ColdQuanta、PsiQuantum这样的初创公司。相比较，我国不仅在量子企业数量上与美国相差巨大，来源也集中在合肥科大系孵化的量子企业，吸引的风险资本仅相当于美国的3%，在量子研发上也处于相对弱势地位。
尽管量子研究起步稍晚于美国，但我国在量子科技领域的进步较快。从2017年开始，我国每年发表的量子论文数量开始反超美国；从专利数量来看，1990—2021年，我国有超6000件量子专利，数量排名第一位，高于美国的3700件。这带来一个新的问题，为什么我国的专利数量居于首位，然而在成立初创公司和吸引风险资金的数量上却远少于美国？作为老牌科技强国，从美国进行的量子研发布局中或许可以找到答案。
2.2 研发布局特点
2016年，国家科学技术委员会（National Science and Technology Council, NSTC）量子信息机构间工作组发布报告指出，美国量子研究存在以下几个突出问题：1）机构间合作制度障碍，量子研究机构之间缺少跨组织的合作研究；2）教育和劳动力不足，缺乏同时具备物理、计算机科学和数学等复合知识的人才；3）资金资助的稳定性不足，缺乏顶层机构协调联邦量子项目支持；4）量子商业转化不足，存在缺乏知识产权转移的协议框架，与初创公司对接不畅等问题；5）新型量子材料的制造问题，生产制造规模难以满足现有的量子发展需求。这些问题正是量子倡议法案中重点解决的问题，包括在白宫层面设立顶层协调机构，建立跨组织、跨团队的协作协调机制，培养量子领域的劳动力，建立量子经济发展联盟促进量子商业转化等。这样的根据存在问题制定政策的“发现问题-出台法案-解决问题”模式，让美国的量子研发机构布局和项目资助更具有针对性。
在《量子倡议法案》实施后，美国依托其国家实验室和联邦资助的研发中心（FFRDC）等老牌战略科技力量，加快布局了一批量子领域新型研发机构和研究团队，自此，美国形成了以“顶层协调为引领，常设机构为基石，新设机构为中坚，产业联盟为补充”的战略研发布局（图1）。
1）由美国总统领衔，OSTP、NSTC领导的协调顶层生态，搭建起联邦机构、大学、企业直接对话的渠道。联邦层面的协调机构由总统直接挂帅，OSTP、NSTC等科技主管部门负责，多个联邦业务机构负责人直接参与小组委员会和协调办公室，能够直接参与量子领域的顶层规划、技术布局。作为《量子国家战略构想》的起草部门，NSTC下设有两个技术管理委员会，量子信息科学小组委员会（Subcommittee on Quantum Information Science, SCQIS）和量子科学经济和安全影响小组委员会（Subcommittee on the Economic and Security Implications of Quantum Science, ESIX），其中SCQIS主要由OSTP、NIST、NSF、DOE等联邦机构成员任职，负责量子产业和商业化技术规划；ESIX主要由OSTP、DOE、国防部（Department of Defense, DOD）、国家安全局（National Security Agency, NSA）等联邦机构成员任职，负责国防领域的量子安全技术规划、需求和评估。OSPT领导量子的协调和咨询机构，国家量子协调办公室（National Quantum Coordination Office, NQCO）由DOE、NSF、NIST、海军研究实验室等联邦业务部门的管理层担任；量子科学咨询委员会（National Quantum Information Advisory Committee, NQIAC）则作为量子领域最高咨询机构，由联邦、国家实验室、学术界、企业共同组成的不超过26人的成员构成，直接向总统和SCQIS、ESIX小组委员会提供咨询建议。NQIAC的设立，形成了由政府、大学、企业利益相关者组成的政产学研固定联席机制，让总统可以直接听到来自量子领域社会各界的声音。国家层面的利益相关者广泛参与，帮助美国在顶层搭建了良好的业务沟通和协调渠道，如图1顶部方框所示。
2）以能源部、国家实验室、FFRDC、联邦内设研究室（中心）、大学等常设机构为基石，资助高风险、高回报研究为补充的研发组合模式。凭借在先进科学计算、基础能源科学、生物和环境研究、核聚变、核物理、高能物理以及同位素等基础研究领域的独特优势，能源部科学办公室在支持量子传感、计算和网络相关基础设施和基础科学，以及量子生态系统的建立方面发挥着支撑性作用。国家实验室体系起源于二战时期，经过几十年的发展，已经成为美国集大科学装置设施、基础研究、技术开发和成果转化、研发资助为一体的战略科技力量，量子作为国家实验室的优先事项，通过主任理事会等方式进行了重点研发部署。FFRDC由NSF进行信息维护和管理，就量子领域的布局而言，美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）领导的艾姆斯研究中心主要布局量子计算，DOD海陆空三军研究中心主要布局量子国防安全领域。国家安全局内设的物理实验室和NIST内设的物理测量实验室则主要布局量子基础研究。以上作为美国的“国家队”，拥有大型实验装备、设施，是量子研究的基石。同时，联邦意识到由于量子科技处于研究早期，应该进行多元化投资组合，哪怕只有少数会获得回报，但这些少数的成功可能有一天会带来颠覆性结果。因此，国防部高级研究局（Defense Advanced Research Project Agency, DARPA）和情报高级研究局（Intelligence Advanced Research Project Agency, IAPRA）在量子计算、人工智能和交叉前沿领域提供高风险、高回报的竞争性资助作为补充。
3）以联邦常设机构为技术依托，以有期限资助的方式灵活设立新型研发机构（中心），建立以解决量子重大研究问题为目标的新型研发伙伴关系。就量子领域新设立的研发机构来看，联邦资助体系发挥着重要作用。按照美国联邦通常的资助习惯，一般是按照4~6年为一期进行的，并可按照评估结果进行动态调整。例如，DOE负责资助5个量子研究中心，5年期满后可以根据评估结果继续申请资助，能源部长可以在执行期间随时终止表现不佳的中心；NSF负责依托5所大学资助QLCI，到期经过评估后同样可选择是否继续资助。新型研发机构的运行下放到各个大学或国家实验室，避免了政府直接管理带来的效率不高问题，同时联邦资助又保证了研究方向符合政府的定位。国家实验室可利用分包合同、合作研究开发协议、战略伙伴关系项目和技术商业化协议等一系列灵活的工具资助量子研究，敦促承包方注重研发效率与效益，形成竞争机制，同时，与大学的合作可以更好的进行劳动力培养。例如，NIST与顶尖大学合作设立量子联合研究所，共同推进量子科技的研究和教育：与马里兰大学物理系合作共建量子信息与计算机科学联合中心（Joint Center for Quantum Information and Computer Science, QuICS）和联合量子研究所（Joint Quantum Institute, JQI），围绕量子计算机科学、量子信息理论、测量和传感开展研究；与科罗拉多大学博尔分校共建JILA联合实验室，围绕基础量子科学、量子技术开展研究，并培训量子劳动力。这些新设立的研发机构依据自身的能力和使命定位，帮助量子研发团队聚集在一起，更快地探索量子前沿，取得突破性成果。
4）以产业联合体带动量子企业研发，依托各类项目和机构打造跨部门人才培养机制，实现人才、项目、产业联动发展。量子企业高度参与研发是美国的重要特征，也是实验室研发的有利补充。据统计，美国在量子领域至少有182家企业，且大多数是2017年以后成立的初创企业，主要集中在量子计算领域。美国吸引风险投资前20的量子计算企业累计吸引12.8亿美元，这些民间资本能有效补充政府研发的不足。量子企业高度参与研发与NIST每年投入8000万美元组建的QED-C密不可分。QED-C旨在促进和发展量子产业，同时制定量子的测度和网络安全等技术标准，协商技术商业化事项。企业的高度参与能够让量子技术研发走出政府资助的实验室，还能以项目为纽带培育未来劳动力，组成的利益相关者研发网络盘活了人才培养和交流机制。美国将量子领域的劳动力发展作为优先事项，通过美国联邦机构、学术界、专业协会、非营利组织、企业之间的合作伙伴关系和奖学金项目，聚集培养了大批量子领域科学家、工程师和企业家。例如，NIST联合量子企业通过开展暑期高中实习生项目、暑期本科生研究奖学金项目、博士后项目等，为各个阶段的量子劳动力发展提供支持。美国能源部除了为师生提供在实验室进行研究的机会之外，还资助特定的劳动力发展活动。国防部各军种的基础研究机构通过研究生奖学金计划、实验室大学合作计划等，鼓励美国研究生参与量子计算相关的研究。
3 对我国的启示建议
作为未来产业，尽管量子科技距离技术成熟仍然有很大一段距离，但一旦成功部署，产生的影响也是颠覆性的。随着芯片与科学法案的签署，中美两国在科技和产业的竞争将会更加激烈。美国联邦机构中，NSF支持大学进行基础研究，DOE组织关键核心技术攻关，DOD进行国防和安全领域的研究，NIST进行技术标准化研究，DARPA、IARPA等支持高风险、高回报的前沿技术的研发格局已经形成，加上法案推动下布局的专业化新型研发机构，联合强大的企业研发力量，美国已经织起一张新兴技术、未来技术的研发大网。而我国作为后发国家，国家实验室体系建设处于起步阶段，新型研发机构的建设路径仍在探索，企业的研发实力有待提升，应当借鉴美国在量子领域的战略研发布局，尤其是在量子技术商业化和量子初创企业培育方面的经验，尽快打牢基础研发力量，布局新兴研发力量，强化企业研发力量，形成产学研用资协同的研发体系。针对我国的实际情况，提出如下建议。
1）加快国家实验室等战略科技力量建设。由科技部统一部署，中央和地方共同出资，从中国科学院、研究型大学中遴选出一批科研实力强、科研设施设备完善的机构，试点以政府资助、机构运营模式设立国家实验室，并设立国家实验室主任理事会，领导小组办公室设在科技部，筑牢战略研究的底层基础。
2）建立灵活支持、动态调整的新型研发机构。由科技部和地方科技部门共同支持，试点以研发合同（协议）模式设立一批面向关键技术攻关的新型研发机构（所、中心）。建立新型研发机构主任理事会制度，开发合理指标，以第三方评估的形式对新型研发机构进行定期评估，依据评估结果适时增减资助额度、调整资助期限，建立灵活有序、能进能出的新型研发机构资助体系。
3）设立顶层技术协调机构和咨询机构。设立未来产业领导协调小组办公室，由发改委、财政部、科技部、工信部、农业部、中国科学院、中国工程院、中国科协等主要业务部门组成，统筹未来产业技术、人才、规划等调度协调事项。在国家层面建立常设咨询委员会联席制度，由国家实验室、大学、企业等代表组成，定期向领导协调小组办公室反馈建议。
4）加强企业培育和创新联合体建设。鼓励以大学衍生企业、新型研发机构孵化企业、科学家创业等多种方式加强量子、人工智能、半导体等关键领域的企业培育，尽快补足企业研发短板。由行业领军企业牵头，联合大学、中国科学院、军事科学院、航天科技、航天科工、中航集团等国防领域企业参与创新联合体建设，在政产学研军界形成研发、转化和商业化的产业联盟。
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