量子科技获国家高度重视,美国量子战略对我们有何启示?
2020-10-25 18:19:35
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来源: 腾讯研究院  原创 曹建峰

作者

曹建峰 腾讯研究院高级研究员

摘要

日前,我国提出加强量子科技发展战略谋和系统布局,加快培育量子计算相关的技术和产业新优势。无独有偶,2020年以来美国也不断加码量子信息技术,提出打造全球首个“量子互联网”的战略构想。在不断加快的人工智能与量子竞争中,我国一方面应保持良好的战略定力,另一方面应加强趋势研判,尽早做出应对。

10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时强调,要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋和系统布局。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

实际上,在新一轮科技革命和产业变革之际,近年来,量子科技已经成为了继人工智能之后,各国竞相角逐的又一关键性前沿科技领域。尤其是进入2020年以来,美国不断加快推进量子计划,促进量子计算与人工智能耦合式发展,开启抢占未来发展高地的新十年。随着量子科技得到国家的高度重视,我国需要加快培育量子通信等战略性新兴产业,抢占量子科技国际竞争制高点,构筑发展新优势。美国在量子领域的战略布局和规划,或许能够给我国提供一定的有益借鉴。

美国持续加码人工智能
和量子技术

在众多前沿科技中,特朗普政府对人工智能和量子计算青睐有加。2019年是美国人工智能政策里程碑式的一年。在“美国AI战略”的指导下,美国联邦政府为确保美国在AI研发以及相关领域的领先优势,优先考虑人工智能的开发与部署,在研发投入、相关资源优化、技术监管、人才储备、国际合作等方面施以新策,取得了显著的成果。2019年也是美国量子互联网的研究和实践取得重大进展的一年,自《量子计划法案》颁布后,美国在量子互联网上的投资与日俱增,量子技术渐入现实。

2020年2月,美国白宫向美国国会提交了2021年联邦政府预算报告草案,在联邦研发预算整体增幅不大的情况下,特朗普建议削减其他关键领域的联邦研究经费,大幅度增加各部门在人工智能和量子信息科学方面的投资。[1]这是美国为维持全球领先地位,在人工智能和量子信息科技上的又一次加码。今后,美国在人工智能与量子科学上的动作将会更加频繁,旨在进一步夯实美国在人工智能与量子计算领域的全球领先优势。

美国启动十年量子计划
多举措抢占量子高地

量子科技被公认为是具有战略意义的颠覆性前沿技术,随着量子科技的发展,我们可能迎来关键性的技术突破、规模化的商业应用甚至是由量子计算主导的新一轮科技革命。2019年多家科技公司在量子计算的研发与商业化应用上加速布局:谷歌表示其54量子位的Sycamore处理器能够在200秒内完成计算,自称已经取得“量子霸权”;IBM宣布将在五年内将量子计算机商业化;Airbus开展了航空领域的量子计算驱动解决方案竞赛。

可以说,美国对量子互联网的希冀不亚于此前的经典互联网,甚至认为现阶段的量子信息科学的发展类似于“经典互联网的前夜”。美国国会在2018年底通过《国家量子计划法案》(National QuantumInitiative Act),提出建立国家量子计划的管理和执行机构,并制定了为期十年的国家量子行动计划,这意味着美国已经正式加入全球量子竞争。

第一,持续加大研发投入,抢占核心关键技术。2021预算案为包括量子互联网在内的量子信息科学提供了大量资助,对量子信息科学(QIS)的投资相比2020财年将增加50%。美国能源部负责科学事务的副部长达巴尔在接受《纽约时报》采访时表示: “在过去三年里,我们投入量子信息科学的资金增加了大约五倍。”而根据《国家量子计划法案》,未来十年内美国还将在量子技术上投入超过12亿美元。

第二,积极推进量子联盟,构成产业生态系统。继2018年芝加哥量子联盟(Chicago Quantum Alliance)以后,美国政府仍在积极联合学术界、产业界共同组建量子联盟,并分别于2019年12月和2020年1月结成了两个新联盟——量子信息边缘(QuantumInformation Edge)和马里兰量子联盟(Maryland Quantum Alliance),加强技术交流,共同确定量子信息科学未来发展中的关键问题和重大挑战,简化技术转化流程。一个包含“政府、学术界、产业界”在内的量子信息科学生态体系正在形成。

第三,启动开发“世界首个量子互联网”计划,助推量子计算应用。1969 年国防部高级研究计划局(DARPA)演示了首个计算机网络 ARPANET,推动了早期互联网的诞生。而现在,美国对量子互联网的前景保有同样的信心。为了维持在量子信息科学上的领先优势,2020年2月美国量子协调办公室发布《美国量子网络战略构想》(简称《构想》),明确提出美国将开辟“世界首个量子互联网”。根据该份文件,美国计划未来5年内实现量子网络基础科学和关键技术的突破和改进,20年内利用量子安全、传感和计算模式等来实现传统技术无法实现的新功能。《构想》建议围绕两个目标,重点在6个领域开展研究,包括短期内建立量子互联网所需的具体研究和工程进展,以及从当今有限的局域网实验转向可行的、安全的量子互联网所需的技术。

整体而言,美国在AI以及量子领域的政策大都延续了AI战略以及量子计划法案的框架和要求,是两领域战略的进一步细化和落实。“不是自上而下的政府主导,而是打造一个涵盖联邦机构、学术机构、社区、私营部门的创新者和公益组织的创新生态系统”,美国白宫发布的《美国人工智能倡议首年年度报告》认为这是美国维持优势地位的关键。

美国量子战略与
AI战略发展趋势

“渐进主义不能确保美国的领导地位”。[2]作为全球创新中心,美国始终在具有变革性的科技领域具有优势地位,积累了诸多发展经验。同时,为了维持这一领先地位,从外交遏制到军事干预,从科学合作到技术竞争,美国的科技政策也往往会对其他国家产生影响[3],需要做好研判和应对。就量子战略和AI而言,未来美国将继续聚焦以下层面。

一是资金、人才等发展要素上的投入力度将进一步加大。美国不少政客和民间学者认为,美国在AI与量子计算上的投入并不具备明显优势,已经不足以和竞争对手拉开差距。除了政府财政,美国将考虑从其他方面增加资金,比如建立与人工智能、量子计算等相关的基金会。而在人才储备的问题上,中美担忧面各有不同:美国对其研究环境以及就业吸引力充满信心,但是担心由于贸易战时期的签证收紧等政策导致短暂的人才流失;而中国则较为受困于没有足够的激励机制和良好的研究环境导致人才外流。长期来看,两国都制定了AI人才培养计划,准备培养更多的本土研究人员。而在最近的几年里,为了缓解AI人才短缺,各国之间的人才资源争夺将会更加激烈。

二是量子信息科学将迎来密集政策期,加快形成人工智能与量子技术的优势互补。在传统计算机计算能力有限的情况下,量子计算能进一步提高AI的数据分析和处理能力,同时,量子计算的关键突破也需要人工智能的参与。[4]量子技术与人工智能的结合,主要体现在量子赋能的人工智能、量子机器学习/量子模拟、量子启发式机器学习、智能控制量子硬件等方面。目前部分AI已经进入到应用层,而量子计算尚处于早期。在美国推出量子互联网计划之前,欧盟、日本、俄罗斯、中国等国家已经在积极布局,此次美国的量子战略直指要开发世界上“首个量子互联网”,其目标之紧迫必将迎来一段密集的政策期。

三是美国将在数据层面寻求与盟友更深度的合作,数据资源竞争加剧。美国认为,中国有足够庞大的市场需求和数据支撑,这是其AI竞争特有的优势。为积累更多数据资源,美国将积极与其他国家达成合作。从技术竞赛到商业对垒,数据资源的争夺将会是全方面的、多主体的。

四是人工智能、量子计算等前沿科技领域的国际话语权的争夺更加激烈。美国是面向全球制定AI使用规范和技术标准。通过与有着共同利益和相同价值观的国家合作,推广美国的监管规范和技术标准,扩大影响力,进而向其他地区施压,是美国输出本国价值规则的常用路径。美国白宫10月15日发布的《关于关键和新兴技术的国家战略》就包括了量子信息技术,而且强调“引导全球技术发展的规范、标准和治理模式,使其反映民主价值观和利益”。

对我国的启示

第一,给予AI、量子信息技术等基础研究以更多资金、政策支持。美国长期在基础研究领域占据优势地位,并借此吸引了较多优秀人才和资本,在算法、芯片等基础层面有很强的技术优势,这与美国政府的资金支持密不可分。近年来,我国在人工智能与量子计算的理论研究和基础技术研究上的影响力正在逐步增强,科技贡献率逐渐提高。高水平的研究能力是核心竞争力,只有补齐基础技术短板,在应用层面才具有自主性。未来应向基础研究领域诸注入更多的资金加以扶持。

第二,加强量子技术领域的产学研合作,推动量子通信、量子网络等产业化应用。目前量子技术的应用前景尚不完全清晰,从“实验室”走向“产业链”还需要较长时间。建议推动量子技术领域的产学研合作,将研究机构与产业界联系起来,促进技术、人才、产品、市场等要素的有效沟通,技术突破与产业化并行。更进一步而言,美国已经将量子互联网作为经典互联网之后又一战略性领域,从量子法案到量子互联网,不断推进战略和政策布局。我们需要在量子网络等产业化应用方面提早谋划和布局。

第三,积极参与量子、AI等前沿科技领域的国际治理。这些颠覆性的技术对人类社会的影响必然是深远的,目前美欧等十分强调人工智能、量子计算等前沿科技的治理与伦理,从提出原则、构建同盟、制定标准等角度积极推进。在这样的背景下,我们也需要积极参与国际治理。一是应密切关注国际动向,对于国际社会可能开展的合作或倡议保持关注,避免游离于任何可能性之外;二是将技术标准、技术监管、科技伦理等领域的中国方案积极向世界推广,主动加强国家层面、企业层面的国际合作,寻求AI和量子技术发展的最大共识。

注释:

[1]参见https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2020/02/budget_fy21.pdf

[2]参见https://drive.google.com/file/d/1jg9YlNagGI_0rid-HXY-fvJOAejlFIiy/view

[3]参见Navigating the Maze: How Science andTechnology Policies Shape America and the World

[4]参见https://www.qtumist.com/post/10372


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