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一、科学目标
　　（一）探索和制备可用于量子计算和量子探测的高质量材料，实现量子态精准构筑，探索新型量子体系。
　　（二）发展量子态测量和操控技术，提升探测和调控精度，探索新的技术方法。
　　（三）针对可纠错固态量子计算、高温超导机理、拓扑量子体系和低维量子体系开展前瞻性研究，在若干方向取得重大科学突破。

二、核心科学问题
　　（一）关键量子功能材料的可控制备与量子态体系的精准构筑。
　　（二）量子态精密探测与操控实验技术及理论方法。
　　（三）面向超导等固态量子计算的研究。
　　（四）新型量子计算体系和实现方案探索。

四、2023年度资助研究方向
　　（一）培育项目和重点支持项目。
　　1.量子功能材料的可控制备与量子态体系的精准构筑。
　　(1)量子计算功能材料的设计与制备；
　　(2)面向非阿贝尔任意子统计的材料及器件的设计与制备；
　　(3)基于各类量子态的量子系统构筑。
　　2.量子态精密探测与操控实验技术、方法及理论。
　　(1)量子态探测技术与方法；
　　(2)量子纠缠的操控技术与方案；
　　(3)量子精密测量新理论与新方法。
　　3.量子计算的物理实现与软件。
　　(1)长相干时间的量子计算器件；
　　(2)量子门操控的保真度提高；
　　(3)量子比特的集成和操控；
　　(4)量子纠错、机器学习方法和量子算法研究；
　　(5)量子计算的操作系统和软件研究。
　　4.拓扑量子计算体系和实现方案探索。
　　(1)马约拉纳零能模的非阿贝尔统计性质的研究；
　　(2)拓扑量子比特的设计与实现。

（二）集成项目。
　　1.超导量子比特的集成、操控与纠错。
　　2.马约拉纳体系的制备、操控与编织。

五、遴选项目的基本原则
　　（一）前沿领域关键量子功能材料的可控制备与量子态体系的精准构筑。
　　（二）量子态精密探测与操控实验技术及理论方法研究，鼓励开发相应的原创技术与方法，并有望产生重大应用的研究。
　　（三）面向超导等固态量子计算的研究，鼓励探索具有原创性的全新方案。
　　（四）新型量子计算体系和方案的探索。

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量子计算利用量子叠加和量子纠缠等量子物理特性执行计算。传统的晶体管使用二进制数据编码，用电表示为“打开”或“关闭”状态。量子位可以同时在多个状态下运行，实现了前所未有的并行性和计算效率。

如今的量子系统仅包含数十个或数百个纠缠量子位，从而限制了它们解决现实世界问题。为了实现量子实用性，商用量子系统需要扩展到 100 多万量子位，并克服量子位的脆弱性和软件的可编程性等严峻挑战。英特尔研究院正在借助行业和学术合作伙伴的帮助努力克服这些挑战，并取得了显著进步。

首先，英特尔正利用其在大容量晶体管制造方面的专业知识开发“热”硅自旋量子位，这是一种尺寸小得多的计算设备，可以在较高温度下运行。第二，Horse Ridge II 低温量子控制芯片提供了更紧密的集成。第三，低温探测仪能够实现大容量测试，这有助于加速商业化。

尽管我们可能离大规模应用还有几年时间，但量子计算有望在材料、化学品和药物设计、金融和气候建模以及密码学等领域实现突破。

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在1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出了量子理论，为人类开启了探索“微观世界规律”的“新物理革命”。量子理论也与相对论一起，成为现代物理学两大支柱。

打开“量子之门”：微观世界里的奇妙“叠加”与“纠缠”

在宏观世界，任何物体在某一时刻都有确定的状态和位置。但在微观世界，量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。

根据量子理论，如果两个量子之间形成“纠缠态”，那么无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个也会“瞬间”发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作“鬼魅般的超距作用”。

从“被动”到“主动”，两次“量子革命”深刻改变人类文明

“第一次量子革命，人们只问量子理论能让我们做什么，不去问为什么，是被动的观测与应用。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说，第二次量子革命则是主动利用量子特性，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。

这些应用的革命性在哪里？简单来说，量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，比如传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，量子计算机几秒钟内就能破解。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。

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NQI法案实施两年取得哪些成就？
在政府的支持下，美国在量子信息领域取得了多项里程碑式的成就。

·量子计算

2018年12月，IonQ发布一台离子阱量子计算机，存储了160个量子比特，在79量子比特长度上进行单比特门操纵，平均保真度>99%，最佳保真度>99.97%；在11量子比特长度上进行双比特门操纵，平均保真度>98%，最佳保真度>99.3%。

2019年1月，IBM发布了世界上第一个为科学和商业用途而设计的通用量子计算系统IBM Q System One，这是一个高度集成的模块化系统，包括IBM开发的硬件、固件和电子设备。

2019年3月，微软成立量子计算联盟Microsoft Quantum Network。

2019年7月，微软宣布开源量子开发工具包（QDK），整合了所有的量子开发工具，包括Q#量子编程语言和编译器、入门示例和教程，以及量子程序的模拟器和资源估算器。开源QDK以便开发人员能够贡献量子应用程序和算法，以及在编译、优化和工具方面的进步。

2019年9月，一篇来自谷歌研究人员的论文刊登在了NASA的网站上，声称他们拥有53个量子比特的Sycamore超导量子计算机能够在3分20秒内执行一个计算，当今最强大的超级计算机需要约10000年，即谷歌实现量子霸权。

2019年11月，微软宣布推出量子计算云服务Azure Quantum。将接入霍尼韦尔、IonQ、QCI和东芝的系统，以及1QBit的1Qloud云平台。

2019年12月，英特尔实验室发布首款低温控制芯片Horse Ridge，实现了对多个量子比特的控制，以加快全栈量子计算系统的开发步伐。芯片以俄勒冈州最冷的一个地区来命名，能够在大约4开氏度的低温下工作。

2019年12月，AWS宣布推出量子计算服务Amazon Braket，通过云平台接入D-Wave、IonQ和Rigetti的量子计算机。作为完全托管的AWS服务，Amazon Braket可提供开发环境来帮助客户探索和设计量子算法。

2020年1月，IBM Quantum Network成员突破100个。

2020年5月，Rigetti部署最新的量子处理器（QPU）Aspen-8，拥有31个量子比特，单量子比特门保真度99.8%，双量子比特门保真度94.7-96.0%。正计划基于一种新的芯片架构制造一台128量子比特计算机。

2020年6月，霍尼韦尔宣布他们已经制造出了世界上以“量子体积”衡量的最强大的量子计算机。这台机器的量子体积为64，是当时领先的IBM设备的两倍。

2020年8月，谷歌实现了迄今为止最大的量子化学模拟。谷歌AI量子团队及其合作者能够模拟H6、H8、H10和H12链的结合能以及二氮烯的异构化。这是迄今为止最大的量子化学模拟。

2020年9月，IBM发布了量子计算路线图，将在2021年突破100个量子比特，2023年突破1000个量子比特，并最终带领IBM通往百万量子比特以上级别的量子计算设备。此前IBM在内部向IBM Q Network的成员发布了65量子比特Hummingbird处理器。

谷歌也发布了在2029年前实现100万个物理量子比特处理器的计划。一百万个量子比特的计算机将由100个模块组成，每个模块包含100×100个量子比特。谷歌计划使用通过表面代码进行纠错。

2020年10月，霍尼韦尔宣布他们的量子计算机H1实现了128量子体积。在完全连接量子比特的情况下，平均单量子比特保真度为99.97%，双量子比特门保真度为99.54%。

2020年10月，IonQ宣布制造出了世界上最强大的量子计算机，在一台拥有32个量子比特的机器上，预期实现超过400万的量子体积。该机型目前已上线，是IonQ在AWS上推出的首款产品。

2020年12月，英特尔发布了第二代低温控制芯片Horse Ridge II。基于第一代Horse Ridge控制芯片的创新，Horse Ridge II支持更强的功能和更高级别的集成。新功能包括操纵和读取量子比特状态的能力，以及控制纠缠多个量子比特所需的几个门的电势。

·量子网络

2018年10月，Quantum Xchange与通信基础设施提供商Zayo Group达成协议，在美国部署第一个量子密钥分发网络。Quantum Xchange支持从纽约到新泽西的量子密钥分发服务，并继续向全国扩展。

2019年1月，美国量子通信的领导者Quantum Xchange、Qubitekk宣布参与哈德逊研究所的量子联盟倡议(QAI)，为量子密钥分发（QKD）和量子随机数生成器（QRNG）技术制定全球标准。

2020年1月，美国NIST“后量子密码算法标准化”项目在来自全球的82个候选算法中选出26个最强候选算法进入第二轮评估，其中候选公钥加密和密钥建立算法标准有17个，候选数字签名算法标准有9个。

2020年2月，白宫发布《美国量子网络战略构想》，提出美国将联合联邦机构、学术界和工业界各方力量，率先开发量子互联网，并确保量子信息科学的创新发展惠及普罗大众。

2020年2月，能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家在芝加哥郊区创建了一个长约52英里的“量子环路”，这是美国最长的陆基量子网络之一。未来将与能源部费米实验室连接，建立起一个80英里的三节点试验平台。最终，连接所有17个能源部国家实验室作为量子互联网的主干。

2020年7月，美国官员和科学家公布了量子互联网计划，目标是将与全球现有网络并行的互联网，利用量子力学定律更安全地共享信息，并连接新一代计算机和传感器。在五个量子信息科学中心中，由阿贡实验室领导的下一代量子科学与工程（Q-NEXT）目标是建设一个量子互联网。

2020年7月，NIST“后量子密码算法标准化”项目公布了进入第三轮（决赛）评估的7个候选算法，其中候选公钥加密和密钥建立算法标准4个，候选数字签名算法标准3个。NIST继续对7个决赛入围算法进行评估，供下一步制定标准参考。

2020年8月，IBM推出首款商业化的7nm处理器IBM POWER10，处理器的设计使加密速度显著提高，每个核心的高级加密标准（AES）的加密引擎数量是上一代芯片的四倍，适用于当今最严格的标准和未来的加密标准（如量子安全加密和全同态加密）。

2020年12月，由加州理工学院(Caltech)、NASA喷气推进实验室(JPL)和费米国家实验室组成的研究团队建立了两个试验台，使用现有的材料和最先进的量子设备，在44公里的距离内准确地传送量子信息。

·量子传感

2018年5月，美国宇航局将普通冰箱大小的冷原子实验室发射到国际空间站，利用冷原子实验室对原子进行超低温冷冻，试图更好地了解重力在最微小尺度上对物质的影响。首次在地球轨道上制造出了玻色-爱因斯坦凝聚态。

2019年9月，在DARPA高稳定性原子钟(ACES)计划支持下，NASA喷气推进实验室、NIST与霍尼韦尔三个团队开发的新一代芯片级原子钟在性能优化上取得突破性进展，关键性能参数提高了1000倍。

2019年12月，ColdQuanta最新的Quantum Core™原子系统作为冷原子实验室的下一代核心子系统，搭载SpaceX猎鹰9号抵达国际空间站。根据ColdQuanta的路线图，公司计划推出紧凑型冷原子钟、加速度计和陀螺仪。

2020年，在美国设有分支机构的英国量子技术公司M Squared分别推出量子重力仪和量子加速度计。其中，量子加速度计主要用于潜艇和大型船只的惯性导航，精度为航行1个月仅偏离2公里。

2020年5月，麻省理工科技评论称，一个由多国科学家组成的研究小组利用纠缠微波光子创造了世界上第一个量子雷达系统，美国麻省理工学院为合作方之一。

2020年12月，麻省理工学院在Nature杂志上展示了一个更精确的量子纠缠原子钟。研究人员表示，“如果最先进的原子钟被改造成使用他们的新方法，它们的精度将在宇宙的整个生命周期内误差只有0.1秒。”

2020年12月，NASA冷原子实验室进行升级，并演示了空间原子干涉测量，为科学家实现用来探索宇宙的新一代精密量子传感器奠定了基础。

2020年12月，美国国防部副部长Paul Lopata透露，2021年海军研究办公室将研发下一代原子钟，预计这种原子钟将更加坚固，性能比以前的系统高1000倍。国防创新部门也呼吁科技公司开发用于导航的新型量子惯性传感器。

参考：

第二代量子体系的构筑和操控重大研究计划2023年度项目指南——国家自然科学基金委员会
https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/research/quantum-computing.html
https://www.qtumist.com/
https://quantumcomputer.ac.cn/
http://quantum.gov/
https://quantum.ustc.edu.cn/web/
http://lw.news.cn/2021-12/20/c_1310383269.htm
http://www.whiqt.org.cn/