摘要
1) 一句话总结 本文呼吁美国国会重新授权《国家量子倡议》（NQI），主张将量子计算、人工智能（AI）与高性能计算深度融合，以构建新型超级计算机并确保美国在21世纪的科学、经济和国家安全领域保持领导地位。
2) 关键要点
- 历史进展： 自2018年12月NQI法案签署以来，美国在量子比特相干性、门保真度和系统扩展方面取得了显著进展。
- “创世纪任务”： 特朗普政府提出该倡议，目标是通过整合AI、高性能计算和量子系统，在十年内将美国的研发生产力翻倍。
- 系统级整合： 具有科学实用价值的量子系统需要数百个逻辑量子比特和数百万次操作，并要求GPU、CPU和QPU作为一个集成的整体协同工作。
- 工业界技术支持： 工业界已提供基础架构组件，如NVIDIA的NVQLink（低延迟量子-GPU互连技术）和CUDA-Q（统一的开源编程模型）。
- 明确部署目标： 美国能源部计划到2028年部署一台具有科学实用价值的量子超级计算机。
- 政策演进方向： 重新授权的NQI必须从“以发现为重点”演变为“支持集成系统级部署”。
- 具体行动建议：
- 资助电子设计自动化创新以构建“量子数字孪生”。
- 投资AI基础设施以支持量子纠错和大规模逻辑量子比特系统的构建。
- 建立“AI+量子”中心并创建量子模拟数据集。
- 在化学、材料和生命科学领域启动旗舰级混合应用项目。
- 授权QED-C等组织建立基准测试与标准，严格定义“科学实用性”。
3) 风险与缺口
- 战略滞后缺口： 现有的国家量子战略早于AI与量子计算深度融合的认知，未能适应当前的技术格局。
- 人才与应用缺口： 量子生态系统中物理学家与领域科学家之间存在鸿沟，阻碍了技术的普及与应用。
- 硬件技术缺口： 当今的含噪声量子设备与未来的容错系统之间存在巨大的技术鸿沟，需要通过量子纠错等技术来弥合。
- 基础设施规模缺口： 工业界虽能构建技术桥梁和平台，但将其整合为用于开放科学的大规模、容错基础设施必须依赖联邦级别的规模和投资，仅靠私营部门无法完成。
正文
量子技术正迅速成为21世纪经济竞争力、国家安全和科学领导力的基础能力。美国在量子信息科学领域的持续领导地位，对于确保计算、传感、网络和材料领域的突破转化为安全的技术和产业、熟练的国内劳动力以及长期的战略优势至关重要。为了确保这一未来，国会必须采取行动，重新授权《国家量子倡议》（NQI）。
2018年12月21日，特朗普总统签署了两党支持的NQI法案，首次确立了跨越大学、国家实验室和工业界的广泛跨机构战略，将推进量子信息科学作为国家优先事项。
这一协调一致的倡议通过持续投资、共享基础设施和世界级的研发管线，加速了量子技术的成熟。自NQI实施以来，在量子比特相干性、门保真度和系统扩展方面取得了显著进展，将量子平台从孤立的演示推向了可扩展的架构。总而言之，这些进展为通向实用的量子系统指明了可行的路线图，并印证了长期、协调的国家投资的价值。
“创世纪任务”：科学仪器的新纪元
2025年12月，科学部副部长达里奥·吉尔（Darío Gil）博士在众议院科学委员会作证时恰如其分地指出，我们正处于由人工智能（AI）、高性能计算和量子系统融合驱动的科学革命的边缘。他概述了特朗普政府的“创世纪任务（Genesis Mission）”——一项旨在动员国家实验室、工业界和学术界构建综合发现平台的倡议，目标是在十年内将国家的研发生产力翻倍。
吉尔强调，AI和量子计算不再仅仅是独立的工具，而是新型超级计算机的基础元素。他指出，正如望远镜和显微镜改变了我们对宇宙的观察一样，这些融合的系统将成为我们这个时代的新型科学仪器，帮助我们破译自然界的复杂性。
实现这一愿景需要打破孤岛，持续关注AI与量子技术的整合，而不是将它们视为独立的工作。许多最具影响力的量子应用将通过这种融合产生，并嵌入到AI驱动和加速的工作流中，从而彻底改变整个科学领域。
这也是我们敦促国会重新授权NQI的原因。AI与量子计算之间深度融合的重要性直到最近才成为焦点，而现有的国家战略早于这一认知。重新授权NQI将使战略得以演进，以适应当前的技术格局。一个重新授权的NQI应明确承认并支持AI、加速计算与量子处理器的整合，以确保这些能力成熟为广泛适用的系统，并使美国在下一阶段的计算领域中占据领导地位。
什么是量子-GPU超级计算机？
要对美国国家实验室、学术界和工业界的生态系统产生持久影响，就必须对量子信息科学采取以任务为导向的方法。
一个具有科学实用价值的量子系统（能够提供所需的数百个逻辑量子比特和数百万次操作）不仅依赖于最先进的量子硬件，还需要经典系统与量子系统的无缝统一，使GPU、CPU和QPU作为一个集成的整体协同工作。这种系统级的整合是将量子能力从孤立的演示转化为实用科学资源的关键。
纵观美国生态系统，越来越明显的是，紧密集成、开放的架构对于量子-GPU超级计算至关重要。通过与美国顶尖机构的密切合作，NVIDIA提供了此类架构的两个基础组件：
- 桥梁（NVIDIA NVQLink）： 量子-GPU互连技术提供了低延迟、高吞吐量的连接，使量子处理器能够以所需的规模和速度运行，从而既能执行苛刻的控制任务，又能处理解决实际问题的混合工作负载。它们使经典超级计算机能够通过实时反馈循环驱动QPU，这对于纠错和控制至关重要。
- 平台（NVIDIA CUDA-Q）： 为了实现技术的普及，量子生态系统必须弥合物理学家和领域科学家之间的鸿沟。CUDA-Q是一个统一的开源编程模型，允许开发者在单一系统中对QPU、GPU和CPU进行编程，实现无缝的端到端混合工作流，并加速科学领域的采用。
AI在克服量子计算扩展和部署的关键挑战中发挥着越来越核心的作用——从量子纠错和硬件校准等实时任务，到发现更高效的量子算法。因此，包括美国国家实验室在内的量子研发项目正在迅速将AI超级计算整合到其核心工作流中。
虽然工业界可以构建利用AI和量子系统所需的桥梁和平台，但将它们整合到用于开放科学的大规模、容错基础设施中，需要联邦级别的规模。联邦政府在国家测试平台上展示这些能力、验证系统集成、在开放环境中验证架构，以及为最终推动具有竞争力的商业市场奠定基础方面，发挥着不可或缺的作用。
国会应如何支持美国在量子领域的领导地位？
政府各机构正在设定宏伟的目标，例如美国能源部计划到2028年在美国部署一台具有科学实用价值的量子超级计算机。为了实现这些雄心壮志，并弥合当今含噪声设备与未来容错系统之间的鸿沟，NQI必须从一个以发现为重点的项目，演变为一个同时支持集成系统级部署的项目。
以下是重新授权的NQI如何帮助推动美国领导地位的具体建议：
- 量子数字孪生： 美国的领导地位依赖于为研究人员提供先进的设计仿真能力。国会应资助用于模拟量子硬件的电子设计自动化创新，使研究人员能够在制造前对设计进行数字化验证，从而大幅加速硬件路线图。
- 量子纠错的集成： 用量子系统解决问题需要逻辑量子比特，而这又需要量子纠错等技术，这些技术只能在AI基础设施的规模下部署。NQI必须确保有充足的研究和AI基础设施资金，以构建大规模的逻辑量子比特系统。
- AI整合： AI是加速量子实用化的关键资源。NQI应通过支持创建量子模拟数据集来训练下一代AI模型，并建立一个强大的“AI+量子”中心以共享工具、数据和工作流，从而促进这些领域之间更深层次的交叉融合。
- 旗舰级混合应用： 硬件必须服务于科学。应在化学、材料科学和生命科学领域启动旗舰级混合应用项目，建立明确的性能基准，以证明这些系统在解决现实问题（而非抽象实验）方面的实用性，并加速开放科学的使用。
- 基准测试与标准： 必须对“科学实用”进行严格定义，以确保投资具有针对性和结果导向。应授权QED-C等组织领导基准测试计划，建立定义真正实用性并能够一致衡量进展的透明指标。
当与AI结合时，量子计算将为本世纪的经济竞争力、国家安全和科学领导力提供动力。重新授权《国家量子倡议》是美国将其在研究和AI领域的领导地位转化为持久优势，并确保在AI时代及以后继续保持领先的关键。我们敦促国会将重新授权该倡议作为一项优先事项。