首发 | 透视《促进量子技术研发的国际合作》报告
导 语
2023年2月22日，美国智库兰德公司发布一份名为《促进量子技术研发的国际合作》的研究报告，该报告指出量子技术研发在全球范围内尚未真正成熟，但包括美国在内的许多国家对于量子技术的应用前景仍有着十足的信心，开展有效的国际合作对于美国及其盟友保持该领域的竞争力至关重要。报告对于当前世界量子技术格局以及开展合作的重要性进行了深入探讨，立足人才和资金流动、标准制定、供应链、出口管制以及技术创新等五个方面提出策略建议，为更好把握当前美国在量子技术研发与合作领域的政策导向及发展特点提供参考和借鉴。现将全文编译如下，供读者参考。
图1：原报告封面
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01
引言
2022年9月，美国国家安全顾问杰克·沙利文明确指出，量子技术是“未来十年发挥决定作用的尖端科技之一”。报告称，量子技术如果应用于生产新型计算机、传感器和通信设备，将极大提高数据收集、传输和处理能力，对国家安全和经济繁荣有着重大现实意义。当前，大多数量子技术仍处于早期研发试验阶段，但鉴于其在未来几十年所能发挥的战略价值，美国政府及国会在过去十年间都出台了鼓励政策以促进量子技术发展。
报告指出，基于维护国家安全的背景，美国政府将加强与盟国及伙伴国家在量子领域的技术合作，通过美日印澳“四方安全对话”（Quadrilateral Security Dialogue, QUAD）机制和美欧“贸易和技术委员会”（Trade and Technology Council, TTC）等组织统一协调科技攻关，促进量子技术信息共享。报告承认，任何一种尖端技术的国际合作都涉及知识产权的保护和敏感技术信息交互等问题，美国政府如何针对上述问题制定合理可行的解决方案，将成为今后的工作重点。✦✦
02
量子技术研发的战略背景
报告称，自冷战结束以来，美国一直是世界上先进技术研发领域的超级大国，拥有世界上最具活力和创造力的大学与实验室体系（用于基础研究）以及私营企业（用于应用开发和商业化）。但近年来，这种技术上的领导地位已经不再稳固，一些先进技术（如5G、电池和先进半导体制造）的控制权已经转移至其他国家，而造成这一转变的主要原因是中国作为“美国最重要的战略竞争对手”已然崛起。
报告强调，作为回应，美国政府应重新致力于保持和夺回在先进技术研发领域的领导地位。2022年7月国会通过的《芯片与科技法案》（Chips and Science Act）就是一次很好的尝试。此外，2018年推出的《国家量子计划法案》（National Quantum Initiative Act）已经确立量子技术研发为国家战略优先事项，并拨款12亿美元用于该领域相关建设。图2：拜登接受有关《芯片与科技法案》的专访
这些法案意味着美国政府在涉及国家安全与经济福利的关键技术领域开展了针对性部署，在与盟国加强技术合作的同时限制中国进口高科技元部件，压制中国在量子技术等高科技领域的进一步发展。
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03
量子技术应用前景
量子技术是一个复杂而前沿的课题，详细的技术解释超出了这篇报告探讨的范围。简而言之，量子技术应用通常可以分为以下三类：
（一）量子计算机量子计算机是一种新型计算机，它遵循与以前所有计算机完全不同的物理原理，可以使用被称为量子位的基本构建块来执行某些类型的计算，运算速度相比其他传统计算机呈指数式增长。量子计算机的具体应用涵盖多个科学领域，已提出的应用包括物理系统的科学模拟（生物化学或新材料）、高性能数学模型优化以及人工智能。从国家安全的角度，目前量子技术最重要的应用领域是快速破解用于保护互联网数据的加密技术。美国政府表示，如果“敌人”掌握了这项能力，后果将是毁灭性的。（二）量子传感器量子传感器是指测量包括重力、加速度、磁场或电磁辐射在内各式物理参数的传感器，可用于制造精确测量时间的原子钟。量子传感器理论上能够利用量子物理原理来接近物理上已知可能达到的最高灵敏度。与现有的传感器相比，量子传感器大幅度提高了测量的稳定性，同时减少了尺寸、重量和功率。（三）量子通信量子通信是指使用诸如光子等非电磁波粒子作为信息媒介，以量子态的形式进行长距离传输信息的系统。现有的应用包括量子秘钥分发，这项技术可以支持高度安全的信息加密，而不易被未来的量子计算机解密。图3：量子通信网络与卫星示意图
全球量子生态系统正在迅速发展，但目前仍处于起步阶段。除了原子钟（支持全球定位系统）之外，量子技术还没有完整实现任何实际的商业应用。报告称量子技术一直是近年来全球关注的重点学术研究项目，虽然在2014-2017年左右，世界各地的几家大型科技公司建立了主要的量子研发项目，并成立了大批量子科技初创企业，然而事实上许多市场分析师认为，量子技术的短期经济价值被夸大了，其金融投资潜力不具有长期性。如果实际情况如预测所言，就可能出现该领域投资的突然崩溃，从而导致出现“量子冬季”：一段幻灭和技术停滞的时期，类似于20世纪70年代末、80年代和90年代初人工智能的冬季。
报告强调，在量子计算机和传感器领域，美国一直居于优势地位，但近年来中国已经取得了重要的技术突破。而在量子通信领域，中国显然是世界的领导者。中国目前已经部署了大规模量子秘钥通信网络，并发射了世界上唯一一颗量子通信卫星。从许多指标来看，中美两国都是量子技术领域的领跑者，但部分国家在一些子技术方面仍居于领先地位。客观而言，美国在量子技术研究或生产方面无法实现自给自足，其主要部件生产以及原材料都依赖于欧洲与日本公司。✦✦
04
量子技术研发的合作动机与模式
通过汇总分析以往技术研究领域的国际合作，该报告总结了两个概括合作动机的范式。其中较为狭义的合作侧重于提高一个国家的科研质量、拓展科研范围，包括希望利用专有技术访问独有资源，例如由美国和加拿大出资，美国国家射电天文台和欧洲南天天文台负责建造和操作的阿塔卡马宇宙望远镜。而广义的国际合作则涉及较为广泛的政策目标，这些目标并非只用于促进科技发展，还包括与盟友、伙伴建立稳定而可信的外交关系。此外，与战略竞争对手的研究合作也可以产生超出科学本身的战略价值。
图4：阿塔卡马宇宙望远镜项目示意图
基于这两种范式的国际合作本质区别并不明显，在美国政府看来，这两种范式的国际合作在量子技术研发合作中都发挥了独特作用。量子技术的人才和关键零部件遍布全球，而美国不具备在量子技术各个方面都全面领先其他国家的能力。强化量子科技的国际合作也是美国加强与盟友及伙伴合作关系的一部分。目前，美国已与日本、韩国、英国、澳大利亚等盟国签署了量子技术合作的联合声明，美日印澳“四方安全对话”也宣布将共同关注量子技术的未来发展。
报告还强调，在实施模式这一层面，国际科技合作可以分为自上而下（由政府或大型机构组织管理并配有一定预算和研发人员）和自下而上（小规模研究人员自发组织）两种方式。大多数著名的国际研发合作是基于自上而下的科学项目，例如人类基因组计划、国际空间站、大型强子对撞机、粒子加速器等。对于以追求科技进步为目标的自上而下的科技合作通常会取得成功。因为在这一过程中，国家利益因纯粹的科技进步而淡化。然而，当自上而下的科技合作直接以国家安全为目标时，就可能面临多种挑战。例如美国和日本联合开展FS-X战斗机研发，美国的战略目的是阻止日本独立开发FS-X战斗机并维持日本对美国制造材料的依赖，这一国际合作最终以美国的失败落幕，FS-X战斗机事实上几乎完全由日本独立开发。报告称，基于美国国情，自上而下的模式可能并不适合量子科技研发的国际合作。首先在量子传感器领域，因为受制于规模和成本，并不需要大规模的科技合作项目。其次，管理量子传感器的安全流程也会使国际合作复杂化。此外，考虑到美国大部分企业普遍缺乏大规模建设量子通信网络的实际经验，这一领域的国际合作也不适用于自上而下的国际科技合作。最后，由于量子计算领域目前的核心技术基本掌握在谷歌、微软等私人企业之中，政府主导的国际合作可能会干涉企业现有的技术布局，阻碍量子技术的进步。因此，在可预见的未来，任何在量子技术研发方面的国际合作基本都会呈现自下而上的、非正式的、组织化的和分散管理的特点。例如，大约半数的美国量子领域的科技出版物是由国际合作产出，美国谷歌、微软、ColdQuanta等高科技公司均在澳大利亚设有量子研究中心。✦✦
05
量子技术国际合作的政策建议
报告强调，美国政府的政策制定者在制定相应政策过程中需要遵循影响国际研发合作的要素，该报告主要选取人才和研究资金的国际流动、标准制定、供应链、出口控制和技术创新等五个方面展开论述。值得注意的是在特定领域，决策者可以决定技术研发完全由美国主导，还是依赖于主要盟国的现有储备，甚至是考虑与竞争国家（中国、俄罗斯）进行合作。
图5：美国量子研发网络部署蓝图
（一）国际人才和资金的流动
报告称，如果缺乏国际研究人员的加入，美国在量子科技领域的研究能力将被大大削弱。在美国，量子相关学科的大多数博士生都是外国学生，相关行业的中坚力量也大都是外国研发人员。这些优质的科技人才毕业后倾向于留在美国，并长期贡献他们的专业知识。据统计，量子领域72%的外国研究生（其中中国的研究生占90%）毕业十年后仍留在美国。然而，据美国政府评估，即使拥有这些外国研究人员，美国在量子科技领域的人才仍然短缺。人才流动不是单向的，很多美国研究人员也到其他国家学习并在返回美国之前获得了宝贵的科研能力。与此同时，一些在美务工的外国技术人员可能对美国知识产权构成风险，进而影响量子技术的发展。美国认为其他国家一直在试图攫取美国新兴技术的知识产权，而量子科技是目标领域之一。为此，美国启动“保护科学（Safeguarding Science）”倡议，提出开放与适当保护相结合的人才战略。此外，为了解决人才短缺问题，报告认为美国依然需要扩大本土人才培养，并促进国际人才流入。在知识产权保护领域，该报告称美国应“重点照顾”中国。针对部分中国研究人员实施无理驱逐的“中国倡议”在美国政界有死灰复燃之势。同时报告强调，美国应加大与其盟国之间的资金流动，通过跨国公司开展科研项目，引导投资者对量子技术的关注。（二）标准制定技术标准制定权的角逐最近已演变为地缘政治竞争的一个重要方面。美国政府内部愈发担心主要竞争国家正试图以放大自身优势的方式影响国际标准制定过程。报告明确指出，作为“中国标准2035计划”的一部分，中国政府在多个技术领域试图影响全球经济，尤其是在已取得绝对优势的5G通信产业。报告指出，大多数标准制定机构是由私营部门与仲裁机构组成的联盟，政府决策者对它们的直接影响有限。目前，大多数量子技术尚未成熟到可以完全实现标准化的程度。但美国政策决策者应该提前规划标准化进程，特别是应该为中国等其他竞争对手尝试影响标准制定的过程做好准备，并制定相应策略。量子传感、量子计算、量子通信都需要广泛的技术标准，但它们的标准制定过程尚不同步。量子传感器的用户有可能对互操作性标准的制定造成负面影响。量子计算机需要广泛的输入输出格式标准和高级量子编程语言。开启量子传感器和计算机的标准化工作可能还为时过早。量子通信就其本质而言是电子通信系统，而所有的电信系统都依赖通用标准。量子密钥分发是除原子钟之外最成熟的量子技术，欧盟已宣布到2029年建立一个国际量子密钥分发网络，中国已部署世界上最大的量子密钥分发网络。量子通信的应用需要复杂的技术标准，欧盟和中国可以利用其在量子密钥分发网络部署方面的技术优势与部署经验率先制定相关标准。量子通信领域的标准制定关乎美国国家利益，决策者需要努力解决这一挑战性问题。（三）供应链如何提升供应链的韧性已经成为美国政府需要优先解决的问题。鉴于新冠疫情在美国的肆虐导致大部分供应链崩溃，以及近期和中国紧张的关系，美国政府需要快速行动调整关键产品供应链的生产状况。随着量子技术的成熟和生产规模的扩大，维持量子器件的供应链将成为一个日益重要的政策问题。由于采取了许多并行的生产工艺与物理技术，这些供应链异常难以评估，迄今为止，对其系统的研究仍然十分缺乏。报告称，如今美国量子器件的原材料主要依赖于从欧洲与日本公司进口，甚至部分美国企业会直接购买来自俄罗斯或中国的量子产品。美国独立建立量子技术供应链几乎不可能，政策制定者需要确定与盟国和伙伴开展技术或生产合作的程度。理论上，多个国家可以通过谈判达成正式的自上而下协议，以维持各国在关键量子零部件方面的竞争力，但客观上不具备可行性。国际论坛（类似“芯片四方联盟”）的模式可能更具有操作性，但仍然面临着严峻的内部挑战。此外，美国政府也需要对量子技术领域的一些关键零部件进行提前布局，并通过小型企业创新研究或技术转移项目等措施确保这些关键零部件的本土生产能力。（四）出口管制报告称，出口管制已成为美国政府管理国际技术竞争的一种常用的政策工具。2022年10月，拜登政府对向中国出售通信设备和半导体设备实施了新的严格出口管制。事实证明，这些新的控制措施在扰乱中国的生产能力方面具有一定作用：阿斯麦公司（Advanced Semiconductor Material Lithography, ASML）等主要供应商已经暂停了中国芯片工厂的工作，专家认为这会对中国芯片行业的发展造成长期影响。量子技术的出口管制对于美国政府而言仍面临较大挑战，主要是由于量子技术的最终应用和最具前途的技术方法（以及关键组件生产）都存在巨大的不确定性。目前无人知晓何种量子设备会对美国用户构成风险。许多量子技术的研发仍处于科学研究阶段，许多私营公司也仍在公开的科学文献中详细描述他们的技术进展。如上所述，量子科技研发企业是高度国际化的，并依赖于跨国界的思想交流。出口管制存在一个巨大弊端，即可能会过早地扼杀量子技术的科学进步。目前仍不清楚美国是否会向中国或俄罗斯出口任何量子技术，所以很难判断目前这些出口管制措施是否会起到积极作用。（五）技术创新报告指出，目前，量子技术的发展仍处在高度不确定性的早期阶段，全面发展比聚焦单一的技术方法更为重要。美国决策者应继续广泛地支持量子领域多种技术方法的发展。没有任何一个国家能够在像量子技术这样复杂的领域做到各方面都领先全球，其他国家在量子领域的某些方面领先美国不可避免。美国与中国和俄罗斯相比，具有一个由技术联盟和合作伙伴组成的庞大网络，应该充分利用这一优势。随着量子技术的发展，美国政策决策者应该系统跟踪主要候选技术方法和拥有某些最先进技术的国家。如果发现在某些关键技术方面，尤其是对国家安全和国家经济至关重要的关键技术，没有任何一个盟国处于领先优势，那么美国政策制定者需要考虑采取行动重点投资这类技术的本土研发能力。图6：美国洛斯阿拉莫斯量子创新国家实验室
对于美国而言，与盟友和合作伙伴之间的信息共享比正式的投资协调更容易实现，并且具有同等价值。美国政府应大力推进量子技术领域的全球性会议，邀请盟国和合作伙伴的技术专家出席，交流技术进展和优先事项。
结 语
总的来说，《促进量子技术研发的国际合作》报告处处彰显了美国政府在先进科技领域开展大国竞争的野心，其矛头直至中国、俄罗斯等主要竞争国家。兰德智库较为清晰地梳理了美国政府在量子技术领域开展国际合作的内在逻辑，揭露了其存在的短板，在政策领域提出了可行的解决方法，为我国促进自身量子技术的研发，在国际上开展相应的政策博弈提供了参考和借鉴。
THE END
文字 | 樊亦夫、李伦、李沁远、文力浩
图片 | 来源于该报告和网络
编辑 | 李阳
审阅 | 李广昊
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