美国量子人才战略举措、特征与挑战|科学|量子计算机

摘要美国政府高度重视量子科学技术人才的培养，在2018年实施《国家量子计划法案》后发布了一系列战略报告和技术报告推动该法案的落实。通过对美国相关报告深度解析，介绍《国家量子计划法案》启动背景和基本内容，呈现美国为发展量子信息科学技术所采取的有关人才方面的举措，分析相关举措的特征及其面临的可能挑战。《国家量子计划法案》主要包括四方面内容，量子人才战略包括5个子目标，目的是确保美国在量子信息科学及其运用中的领导力，为所有美国人创造新机会，其中教育系统所承担的使命是促进量子信息科学技术的发展和培养量子智能劳动力。系列报告显示，美国量子人才战略中的教育举措主要包括：通过招揽国际量子科技人才，提高相关研究领域的竞争力；在早期教育阶段提升学习者量子信息科学技术的教育意识，在高等教育阶段提供与量子信息科学技术相关的课程、学科和学位，培养掌握量子信息科学技术的研究者和量子智能劳动力。其特征为教育系统与政府、企业形成紧密的创新生态系统，坚持“科学优先”原则，注重推动量子工程学、量子机械学及材料学等多学科交叉融合，发挥科学、技术、工程和数学（STEM）等基础传统学科在量子工程中的基石作用。其挑战主要为相关人才对科技成果转化的时间焦虑、学术晋升与终身教职的冲突和“文化迁移”。1 研究背景量子科学技术是一项具有战略性的前沿技术。量子科学迅猛发展，在传感、通信、信息加工和安全方面都有重要作用，已经让越来越多的人获益。量子科学技术已经成为很多技术创新的聚焦点，也引导人们进入量子科学的新时代。国外关于量子的研究，主要聚焦的主题包括量子计算机的研发、量子机器学习、量子通信等；国内学者关于量子的研究，聚焦的问题包括对于量子思想史的分析，认为现代科学理论造成了数学意义、物理意义以及感性直观意义的分裂，其结果是人们失去了对科学世界图景的直观理解；在科学研究维度，国内研究型大学的量子研究取得重要成效，以中国科学技术大学的郭光灿、潘建伟、杜江峰等为代表的科学家在量子信息领域取得显著成绩，在量子密码、量子计算、量子通信、基于量子卫星的超远距离保密量子通信方面也取得重大研究进展。量子信息可以突破现代信息技术的物理极限；量子密码可以提供防止窃听、防止破译的绝对保密通信；量子计算具有巨大的并行计算能力，提供功能更强的新型运算模式。国内有研究者关注量子科学技术人才培养，如中国科学技术大学面向网络空间安全专业的本科生开设量子信息相关的导论课程，与网络空间安全专业的核心需求和特色结合，在教学目标、课程结构和内容、授课方法和实践手段等方面进行了相对创新的设计，旨在改变国内量子信息从业人员严重缺乏、工程技术人员对量子信息技术的理解不够深入、实操能力不足等问题。已有研究表明，量子科学研究是多学科的，包括化学、物理等，人文社科领域学者对量子展开的相关研究较少，对于国外高校量子人才培养的相关研究则更少，主要是从科技思想史的角度得到一些启发。基于此，本研究对美国量子计划有关人才培养进行相对系统的研究。2018年，美国白宫成立国家量子协调办公室（National Quantum Coordination Office），发布周期为10年的“国家量子计划”（National Quantum Initiative，NQI），旨在促进量子信息科学技术（quantum information science and technology，QIST）发展。2018年12月21日，美国总统特朗普签署发布《国家量子计划法案》（National Quantum Initiative Act）。为了推动《国家量子计划法案》的落实，美国政府发布了一系列报告，具体包括战略性报告《让量子传感器结果实》（Bringing Quantum Sensors to Fruition）、《美国量子信息科学技术劳动力发展的战略规划》（Quantum Information Science and Technology Workforce Development National Strategic Plan）、《国际人才在量子信息科学中的角色》（The Role of International Talent in Quantum Information Science）、《促进量子研究的协调之道》（A Coordinated Approach to Quantum Networking Research）、《量子前沿报告之国家战略中量子信息科学的共同体投入》（Quantum Frontiers Report on Community Input to the Nation's Strategy for Quantum Information Science）、《人工智能和量子信息科学研发提要：2020—2021财年》（Artificial Intelligence & Quantum Information Science Research & Development Summary：Fiscal Years 2020-2021）、《美国量子网络的战略构想》（A Strategic Vision for Americas Quantum Networks）等，也包括科学技术报告《从远程通信到构建国家量子网络》（From Long-distance Entanglement to Building a Nationwide Quantum Internet）、《辨识后量子密码中的研究挑战》（Identifying Research Challenges in Post Quantum Cryptography Migration and Cryptographic Agility）和《促进化学和材料的量子计算法则报告》（Report on the NSF Workshop on Enabling the Quantum Leap Quantum Algorithms for Chemistry and Materials）等。本研究通过对这些战略文本的深度解析，介绍《国家量子计划法案》的基本内容，呈现美国为了发展量子信息科学（quantum information science，QIS）技术所采取的举措、这些举措的特征及其面临的可能挑战。2 美国量子人才战略启动背景及基本内容2.1《国家量子计划法案》的启动背景《国家量子计划法案》的发布是多种因素促成的。如《国际人才在量子信息科学中的角色》中所言，“量子信息科学技术发展的动力不仅来自于科技发展本身，还源于对经济问题和国家安全发展的考虑”。其具体的启动背景如下。第一，应对国际竞争。《国家量子计划法案》启动背景之一是源于激烈的国际竞争，成为驱动美国政府制定《国家量子计划法案》的因素之一。2021年，中国、加拿大、澳大利亚等17个国家发布量子信息科学技术研发的国家战略（见表1），这些国家量子发展战略的特点如下：一是共同的政策目标，即鼓励学术界和企业协同研发和强调人力资本；二是支持传感、计算和量子通信技术3个主要领域；三是策略非常多元，包括建立卓越创新中心、为科学技术竞争制定可行性目标、为国家重要的特别项目提供直接资金、政府提供投资。第二，促进量子信息科学技术发展。特朗普担任美国总统时高度重视5G、人工智能（artificial intelligence，AI）和量子信息科学等，希望通过发展这些科学技术提升人们的生活质量。“国家量子计划”的目标之一是实现更多的量子传感器（quantum sensors）研发，转换成实用性技术。美国政府对此有大量的经济投入，2019年国家财政优先的重点领域均包括量子信息科学技术；2020年对量子信息科学技术的计划投资金额为43500万美元，实际投资金额为57900万美元，而2021年计划投资金额为69900万美元；2022年国家财政优先的政策领域为量子信息科学技术，目标是培养量子时代的智能劳动力。第三，保护国家研究安全。美国政府认为，关于重大科学技术的潜在研究和资源投入既可能会影响美国在新兴科学技术中的领导力，也可能会影响美国的国家安全。在保护国家研究安全的过程中，最大的挑战是协调技术的开放性与隐秘性，且要避免偏见。美国政府将量子信息科学技术作为关键的新兴技术，聚焦量子计算（quantum computing）、量子设备的材料和制造技术（materials，isotopesand fabrication techniques for quantum devices）、量子传感器、量子网络（quantum networking）和后量子密码学（post-quantum cryptography），通过在这些关键领域的研发突破，从而保障美国国家安全。第四，推动经济高速发展。量子信息科学技术的发展，不仅仅只是技术领域的推进，而且能够提供经济机会，促进国家经济发展。量子信息科学技术从纯粹的科学领域转化为实用性技术，如传统的量子计算机可能会需要一些新的高技术材料，性能更强的量子计算机可能有利于保护计算机安全，保护线上银行和线上购物，且后量子能够保护数据，避免个人信息遭受网络袭击。很多量子信息科学技术的运用可能会出现在市场，如高端量子传感器。量子信息科学技术会产生新的探测工具，探测地下石油和矿产。量子计算机的迭代更新，能够帮助科学家更好地理解高温超级传导器，推动大数据中人工智能技术发展，从而提高供应链效率。2.2 美国量子人才战略的基本目标《国家量子计划法案》的目标是确保美国在量子信息科学及其运用中的领导力，为所有美国人创造新机会，具体包括5个子目标：第一，支持量子信息科学技术的研发和运用，增加从事量子信息科学技术的研究者、教育者和学习者的数量，确保从事量子信息科学技术研发及其他类型工作的劳动力数量；为量子信息科学技术的本科生、研究生和博士后提供更多的多学科课程和研究机会；缩小基础研究的知识鸿沟；推动量子信息科学技术研究的未来进展；促进量子基础技术研究的快速发展。第二，协调量子信息科学技术的规划。第三，提升美国量子信息科学技术研究和相关项目的效率最大化。第四，加强美国联邦政府、联邦实验室、企业和大学之间的协作。第五，促进量子信息科学技术安全国际标准的制定，实现经济发展和保卫国家安全的目标。2.3《国家量子计划法案》的基本内容为了实现上述量子人才战略目标，《国家量子计划法案》的制定包括4个方面的内容：（ 1）“国家量子计划”启动多个子项目。为了推动量子信息技术在美国使用，设置量子信息科学技术的发展目标、优先项和10年计划；实现目标的主要途径是投资联邦量子信息科学和技术的研发，重点投资领域为量子信息科学技术的劳动力管道；提供联邦量子信息科学技术研究、发展、标准与其他活动的整合规划，并促进其与企业、大学建立伙伴关系。（2）量子信息科学技术的标准。关注点有两方面：一是培养培养量子信息科学家；二是促进量子信息科学技术公共和私人部门协作，包括企业、大学和实验室，推动量子信息课程技术的研究进展。（3）美国国家科学基金会推动量子信息科学技术的活动。其一，开展量子信息科学工程项目，包括支持基础学科量子信息科学和工程研究，主要为投入人力资源，项目要求是提升本科生、研究生和博士后阶段的量子信息科学和工程的教学和学习，并提高量子信息科学技术领域的女性参与率。其二，美国国家科学委员会设置相关项目，支持研究生（特别是属于美国公民的研究生）获得量子信息科学的硕士学位或者博士学位。其三，在高等教育机构或者其他非营利机构设置奖学金，建立2年～5年的量子研究和教育的多学科中心（multidisciplinary centers for quantum research and education），每家研究中心每年获得1000万美元的资助，负责开展基础研究，支持量子信息科学和工程的课程开发和劳动力发展、带入企业视角促使量子研究创新和培养劳动力；增加量子科学和技术转换专业；鼓励多学科（物理、工程、数学、计算机科学、化学、材料学）的研究者积极合作；支持劳动力长期和短期的发展。（4）量子信息科学研究项目，包括量子信息科学的本科生和研究生的学习项目，具体为量子信息理论（Quantum Information Theory）、量子物理（Quantum Physics）、量子计算科学（Quantum Computational Science）、应用数学（Applied Mathematics and Algorithm Development）、量子网络（Quantum Networking）、量子传感器和探测器（Quantum Sensing and Detection）、材料科学和工程（Materials Science and Engineering）。量子信息科学技术发展需要美国国家量子信息科学研究中心（Nanoscale Science Research Centers）、能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Centers）和国家实验室（National Laboratories）等多个部门共同努力。这些部门从不同的角度，都为促进量子信息科学技术的发展付出了巨大努力。3 美国量子人才战略的重要使命为了实现《国家量子计划法案》的目标，美国的教育系统需要承担相应的使命，主要包括促进量子信息科学技术的发展和培养量子智能劳动力。3.1 促进量子信息科学发展，保护国家安全量子信息科学技术的发展是一个比较缓慢的过程。在1970年左右到2017年12月之间，美国国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）致力于促进量子信息科学技术创新。从1970年到1980年之间，相关研究者开始探索量子信息科学技术。在20世纪90年代，量子信息科学技术有很大进展，科学家以多种实验方式优化原子，但在这一时期，很少有物理学家意识到量子信息技术科学的存在。1994年8月，美国国家标准技术研究物理学家查尔斯·克拉克（Charles Clark）组织进行国家标准技术研究，启动了关于量子计算和沟通（quantum computing and communication）的工作坊，让企业、学术界和国家实验室的很多物理学家、数学家和计算机科学家一起开展研发工作，作为芯片项目的一个部分，该工作坊致力于创造更加小巧、便宜、高性能和容易制造的量子传感器。量子信息科学技术的发展关系到国家安全。《美国量子网络的战略构想》指出，量子网络将会研发通信、新的传感设备和量子计算机，该领域的研究会推动基础科学发展和使用量子设备，从而保障美国的国家安全。《辨识后量子密码中的研究挑战》指出，后量子密码中包括核心的后量子研究和量子科学研究的两个重叠领域，为保持美国的国家安全具有重要意义。量子信息科学技术的研发，需要采取一系列有效措施。《促进量子研究的协调之道》提出促进量子网络的技术性建议，如持续性开展研究、促进量子网络的发展，包括开展计算法则的理论性和实证性研究；优先研究量子网络的核心部分，因为量子网络的发展需要资源、探测器、记忆等核心技术部分，而这些技术正处于研发初期，需要材料科学、量子光谱、电气工程和量子控制等方面的综合性研究。《从远程通信到构建国家量子网络》指出：优先研究方向为提供基础建造设备；整合多元化量子网络设备，创造重复性、可转换性的量子互联，让量子网络具备更好的纠错功能；改善通信、电子和软件等经典技术研究，支持量子网络发展；需要开展型号精确的量子网络测试，从而探索量子网络行为的科学问题。3.2 培养量子劳动力，促进经济发展美国需要多样性、包容和可持续的劳动力，具体是指掌握企业、学术界、国家实验室和美国政府要求的技能人才。2018年的量子信息白宫峰会高度重视培养量子智能化工人（quantum-smart workforce）。2020年，《促进量子美国在科学技术方面的全球领导力》指出，量子信息科学发展需要重视培养具有相应技能的劳动力。2022年，美国财年计划的重点之一是提升量子企业的劳动力质量，提供关键设施，保持美国国家安全、经济发展和国际协作。美国在培养量子信息科学技术劳动力的过程中会遇到一些棘手问题，《美国量子信息科学技术劳动力发展的战略规划》指出，量子信息科学技术劳动力面临四大挑战：其一，理解生态系统技术需求的挑战；其二，高中生和本科生层次的研究受到限制；其三，量子信息科学技术的专业人才受全球企业青睐，需要通过本土培养和国际协作满足这一需求；其四，多样化的量子信息科学技术劳动力需要所有美国人参与。为了培养掌握量子信息科学技术并满足这一时代需求的劳动力，美国需要采取相应的措施，《美国量子信息科学技术劳动力发展的战略规划》提出培养量子信息科学技术劳动力的四大举措：第一，理解量子信息科学技术创新生态系统中对劳动力的短期需求和长期需求，从而满足这种需求。“美国量子计划”中的优先项是培养量子劳动力。为了促进美国经济发展和推动量子信息科学发展，需要让更多人掌握量子信息科学技术，提高所有教育学段的科学、技术、工程和数学（STEM）教育质量，加速探索量子信息科学技术前沿，扩大量子信息科学技术的人才“蓄水池”。量子信息科学技术劳动力需要美国政府、学术组织、专业协会、非营利组织、企业和国际伙伴共同协作。第二，通过向公众宣传，让更多人了解量子信息科学技术。第三，通过提供专业教育和培训机会，解决量子信息科学技术的鸿沟。第四，让量子信息科学技术中的职业及其相关领域更加开放、更加公平。4 美国量子人才战略中的教育举措教育系统不能完全承担人才培养的重任，需要与政府和企业共同协作，也需要采取具体措施，即外引和内培。“外引”是指面向国际，吸引掌握量子信息科学技术的高层次人才；“内培”是指运用国内现有师资，在不同教育阶段，培养掌握量子信息科学技术人才和智能量子劳动力。4.1 招揽国际量子信息科学技术人才，打造人才“蓄水池”国际协作和国外研究者在美国技术研究的成功中扮演重要角色。《国际人才在量子信息科学中的角色》指出，“为了促进量子信息科学技术发展，美国需要建造量子信息‘人才蓄水池’”。根据关于新兴技术安全的一项调查显示：美国半导体产生很大经济价值，2018年约投入2000亿美元，占全球半导体总投资额5%；美国当前40%的半导体人才是国际人才，其中来自印度籍国际人才最多，其次为中国籍国际人才。该项调查也显示，美国大学是培养这些高科技国际人才的主要场域，其中电气工程、计算机科学领域中2/3的国际研究生进入美国半导体企业。美国最具潜力的人工智能启动资金AI Startups的创始人是美国移民。一项分析显示，在2019年人工智能TOP50的创业公司中，66%的美国人工智能创始人中至少有1位是移民。但是，当前美国的国际揽才计划有很多障碍。第一，受到新冠病毒感染疫情（以下简称“疫情”）影响。2020年秋季，美国高等学历学位教育的国际招生数为605000人，比2019年减少了177000名学生，降低了23%；本科生招生数从2019年的419000人下降到315000人，比例约25%；研究生从2019年的363000人下降到2020年的290000人，比例约为20%。疫情是很多国家国际揽才的共同障碍。第二，当前国外研究者很难获得长期签证。签证难度使得美国的国际学生和国际研究者留在美国的不确定性增加，因此，美国政府希望通过提供可获得的实用培训（optional practical training，OPT）和J-1签证项目（J-1 visa program）解决难题。第三，全世界各国都重视招揽量子信息科学技术领域的国际人才且具有一定吸引力。美国也逐渐意识到其他国家的国际揽才政策的吸引力增加，比如，中国通过海外人才回国服务、海外人才为国服务等综合战略，增强了对海外人才吸引力。4.2 早期教育阶段：提升量子信息科学技术的意识国际揽才会遇到很多障碍，使得量子信息科学技术人才竞争在很大程度上成为各国教育体系的竞争，意味着需要重视内部培养量子科学技术人才。早期教育阶段主要是提升量子信息科学技术意识，培养学习者对量子信息科学技术的兴趣。《美国量子信息科学战略概览》指出，早期教育阶段包括义务教育阶段、中学阶段和高中阶段，应该学习量子科学。2018年，量子信息白宫峰会指出，美国联邦政府会在早期教育阶段提供开放式量子学习的教育机会，从而保障量子信息科学技术领域有多样化的劳动力。2020年8月，美国国家科学基金会提出Q12教育（national Q-12 education partnership）实施量子信息科学教育，为培养掌握量子信息科学技术的劳动力做准备，这有利于鼓励下一代在大学教室、社区学院和线上课程之外有更多机会开始并持续学习材料学、量子信息科学等相关课程。这些课程主要包括四大要点：一是让更多学生尽早接触高质量的量子信息科学教育材料，二是帮助进入大学前的学生制定关于从事量子信息科学的职业规划，三是面向公众普及量子信息科学的概念，四是让更多教育者参与研发量子信息科学的教育材料和设计相关课程。4.3 高等教育阶段：提供量子信息科学技术的课程、设置学科和颁发学位在教育系统内部，初等教育阶段和高等教育阶段不是完全割裂，而是有相通之处，不过侧重点不同。高等教育阶段主要是高校提供相应课程、设置相应学科和学位，培养从事量子信息科学技术的研究能力和相关技能。第一，高校通过提供相应课程，培养学生掌握一定的量子信息科学技术知识，并具备一定的量子技能。第二，设置相应学科。《美国量子信息科学战略概览》指出，鼓励学术界设置量子科学和量子工程两个独立学科，并且满足这两个学科所有层次的新教师、新项目和新计划需求。第三，根据量子信息科学技术的工作要求，设置物理学士、物理硕士、物理博士、工程学士、工程硕士、工程博士、数学博士、计算机科学的学士和博士等，从而培养学习者掌握协作环境中推动软件发展、工程和系统设计技能等量子信息技能，团队协作技能和商业运作意识。2018年，量子信息白宫峰会指出，在本科学段中设置特定量子学士学位、专业硕士学位和哲学博士学位，并特别重视为相关学科的研究生和博士后设置奖学金。具体见表2。5 美国量子人才战略实施的特点美国企业、学术界、教育者和国家科学基金会的资助者，协力开发出从中学阶段到大学阶段的量子科学课程材料和教师专业发展培训。《国家量子计划法案》的特点是，将教育系统置于量子创新生态系统中的首位，注重推动多学科协同发展，并重视传统基础学科发展。5.1 创新生态系统中的教育子系统坚持“科学优先”原则美国量子信息科学技术的发展依赖于构建重点实验室、学术界和企业的多组织创新生态系统。《美国量子信息科学战略概览》指出，美国量子信息科学技术的发展需要学术界、企业、政府共同协作，形成紧密的创新生态系统，保护知识产权，促进量子信息科学技术转换。2022年，我国教育部办公厅、工业和信息化部办公厅、国家知识产权局办公室联合发布《关于组织开展“千校万企”协同创新伙伴行动的通知》，推动高校与企业创新合作，促进创新产业链深度融合，探索构建高校知识产权、科技成果转化库和企业需求库。在量子信息科学技术发展的创新生态系统中，学术界的使命是培养量子信息科学技术人才。科学家能够从不同领域研究量子现象，运用各自学科的专业术语，共享科学前沿观念，促使量子信息科学技术快速发展。学术界不是在“科技孤岛”中，而是需要与企业、政府携手。其一，学术界和企业协作。量子科学革命不仅需要大学和国家实验室，也需要企业投资研发量子计算机，促进技术发展。谷歌（Google）、英特尔（Intel）和微软（Microsoft）等公司均已经有量子科研团队，在努力研发硬件。从大学实验室到企业，国家标准技术研究持续发挥其影响力，支持研究者从事推动量子革命的软件研发。量子信息科学技术的发展就像硬币的两面，一面是硬件，另一面是运算法则和其他软件相关研究。其二，量子信息科学技术发展需要学术界和政府协作，聚集多学科专家。2014年，美国国家标准技术研究所和马里兰大学（University of Maryland）共建量子信息和计算科学联合中心（Joint Center for Quantum Information and Computer Science，QuICS)，通过关注数学和计算机科学，重点研究量子信息科学技术。2022年，美国财政优先的政策坚持科学优先的方法（science-first approach）促进量子信息科学技术发展，培养量子时代的智能劳动力，提升量子企业的劳动力技能，提供关键设施，促进国际协作。《美国量子信息科学战略概览》同样指出，贯彻“科学优先”原则发展量子信息科学技术。美国政府在量子信息科学技术发展中具有不可替代的作用，主要体现为国家量子协调办公室主要负责促使联邦政府、量子计算和沟通系统的发展。第一，量子信息主管部门和众多部门一起协同推进，包括国家标准技术机构、能源部（Department of Energy，DOE）、国防部（Department of Defense，DOD）、国家航天主管部门（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和国家安全部门（National Security Agency，NSA）及其学术共同体、企业等。第二，政府提供好的政策环境。《让量子传感器结果实》指出，美国政府为企业和学术界都提供好的政策环境，促使量子传感器等技术转换。同时，美国政府需要制定保护性政策，促进量子信息科学技术发展。为了加强培养美国半导体劳动力，美国政府需要投资国内基础研究，形成政府、企业、学术界的良性合作伙伴关系，并鼓励美国本土学生从事半导体研究生项目学习，且为其提供一些高质量实习项目。企业提供重要的实习项目。QED-C的成员包括企业和学术界，主要的相关企业有阿尔法（Alpha Rail）、CJW量子（CJW Quantum）、剑桥量子（Cambridge Quantum），学术界包括哈佛大学、斯坦福大学、芝加哥大学的量子交流（Chicago Quantum Exchange）。量子企业一般从事的领域包括量子传感、量子网络和通信（quantum networking and communication）、量子计算硬件（quantum computing hardware）和量子计算法则和应用（quantum algorithms and applications）。美国企业所奉行的核心价值是自由探索和互惠，自由探索允许个人好奇驱动开展的科学探究，该价值观让美国的企业愿意与学术界保持联系；互惠是确保科学家和其他机构交换材料、知识和数据，获得设备和培训，让合作伙伴受益的原则，该价值观让企业与政府、学术界等能保持良好的关系。企业在量子信息科学技术发展过程中的重要性日益增强。从2012年到2019年年初，根据《自然》（Nature）杂志分析，私人企业家已经至少资助了52家量子信息科学技术公司，这些企业很多是从大学实验室孵化出来。我国政府高度重视发挥企业的积极作用。2015年，我国实施制造强国建设战略，提出要推进国家技术创新示范企业和企业技术中心建设，充分吸纳企业参与国家科技计划的决策和实施。5.2 推动量子工程、量子机械及材料科学等多学科交叉融合美国国家量子协调办公室需要确保量子研究和多学科发展。为了促进量子信息科学技术发展，美国国家科学基金会将大学、国家实验室和企业的研究者聚集在一起，开展多学科研究，为培养量子信息科学技术发展储备优质人才。《促进量子信息科学：国家挑战和机会》指出，量子信息科学家只是接受具体学科的教育是不够的，而量子信息科学技术的发展有赖于物理、计算机科学、应用数学、电气工程和系统工程。《量子前沿报告之国家战略中量子信息科学的共同体投入》指出，为了量子信息科学技术使更广大群体受益，应该设置量子工程（Quantum Engineering）、材料学（Material Science）和量子机械（Quantum Mechanics）等专业。《美国量子信息科学技术劳动力发展的战略规划》也指出，量子信息科学技术需要计算机科学、工程学、化学和材料学等方面的研究进展，从而形成多学科团队。量子信息科学技术的发展不是由单一学科推动的。《国际人才在量子信息科学中的角色》表明，从2014年到2018年，美国约43%物理专业、56%计算机科学专业、64%电气工程专业的博士学位都是由国际学生获得。目前，美国高等教育主要为量子信息技术发展培养物理领域的人才，但是，随着量子企业的发展，量子信息科学技术发展越来越缺乏计算机科学、数学、机器学习和软件工程等方面的人才。5.3 STEM是量子工程专业技术含量“金字塔”的基石《美国量子信息科学技术劳动力发展的战略规划》指出，量子信息科学技术的发展，并不表明传统技术和基础学科不发挥任何作用，而是建立在传统基础学科之上。量子工程专业的技术含量“金字塔”包括4个层次：第一层次是STEM学科，比如电路设计；第二层次是量子信息科学技术意识，比如软件发展和数据科学家；第三层次是量子信息科学流畅，比如实用建筑家、工程师；第四层次是量子信息科学专家。随着研究层次提高，人们的量子信息意识也不断提高。量子信息科学技术的发展需要高度重视STEM教育，并具备编码、数据分析、电子电路设计、实验室经验及其光谱、材料、机械工程方面的知识。STEM教育专家关注多样性、平等性和包容性，确保量子信息科学技术知识和技能的培训，实现高端技术创新。很多技术需要科学家、工程师和企业家协同创新，市场竞争和协作将会持续发挥引领性作用，这些改变需要系统性的文化变迁，从而创造包容、公平的学习环境。2019年，美国学术圆桌会议探讨关于量子信息科学进展现状，学术专家勾勒新教学方法和研究方法，帮助传统的STEM领域（特别是工程和计算机科学领域）的学习者运用量子信息科学的概念。根据美国科学委员会的调查，截至2019年，美国的科学和工程学的劳动力共2500万人。其中科学和工程学士学位获得者分散在不同领域，在企业占比最高，为71%，在教育领域占比其次，为18%，在政府部门占比最小，为11%；科学和工程博士学位的获得者，在企业占比为48%，在教育领域占比为43%。还有数据显示，从2017年到2020年，在美攻读科学领域的博士研究生从186399人增加到196742人，工程领域从68825人增加到71279人。这些数据表明，美国STEM教育具有很好的基础，有利于量子信息科学技术的进一步发展。6 美国量子人才战略中的挑战美国量子人才战略实施过程中的挑战是科技转换的时间焦虑、学术晋升与终身教职的冲突和“文化迁移”。（1） 科技转换的时间焦虑。社会的浮躁心态、高校的功利心和教师个体的得失心，决定了对于科技转换周期长的焦虑。科技发展不能成为“只开花，不结果”的虚幻，而是需要将科学技术转化为实际产品或者商品。量子信息科学技术的发展需要投入大量资金和时间，转化为科技成果需要耗费很长时间。（2）学术晋升与终身教职的冲突。由于学术界的考核评价方式往往比较单一化，在没有获得终身教职之前，青年教师感受到时间压力，成为“知识工人”。例如，晋升和终身教职委员会认可专业奖项或者学术发表，难以评价对量子信息科学技术发展的多种贡献。（3） 不同组织文化之间的冲突。量子信息科学技术发展，不仅仅取决于科技本身的研究进展，还需要一种有利于科技创新的多部门之间的协同。当前，在美国量子信息科学技术的发展中，美国政府部门与学术界、企业界搭建的创新生态系统中，各主体由于具有不同的组织特性，从而具有不同的组织文化，为了促进多部门有效合作需要“文化迁移”（cultural shifts），因为一些部门的项目也需要新资源、提供新机会，跨越工作边界、支持冒险。“文化迁移”的本质是要求多个部门和机构的持续努力和领导力，从而有效分配资源和承担适度风险，其目的是全社会涵养一种“发现文化”，从而促进量子信息科学技术发展。有研究者认为，有利于科技创新的文化需要思想更加崇尚自由。7 结论本研究基于美国量子人才战略的启动背景，呈现《国家量子计划法案》的战略目标、基本内容、教育系统承担的使命及采取的教育举措，并分析相关教育特征及其实施过程中的挑战，形成以下研究结论：第一，美国量子人才战略启动背景为应对国际竞争、促进量子信息科学技术发展、保护国家研究安全和推动经济高速发展；第二，《国家量子计划法案》主要包括四方面内容：“国家量子计划”启动多个子项目、制定量子信息科学技术的标准、美国国家科学基金会资助量子信息科学技术的相关活动、设置多项量子信息科学的本科生和研究生学习项目；第三，量子人才战略目的是确保美国在量子信息科学及其运用中的领导力，为所有美国人创造新机会，包括5个子目标：支持量子信息科学技术的研发和运用、协调量子信息科学技术的规划、提升美国量子信息科学技术研究和相关项目的效率最大化、促进量子信息科学技术安全国际标准的制定以及加强美国联邦政府、联邦实验室、企业和大学之间的协作，实现经济发展和保卫国家安全的目标；第四，美国教育系统需要承担相应的使命，主要包括促进量子信息科学技术的发展和培养量子智能劳动力；第五，美国量子人才战略中的教育举措主要包括：通过招揽国际量子科技人才提高相关研究领域的竞争力，通过在早期教育阶段提升学习者量子信息科学技术的教育意识和在高等教育阶段提供与量子信息科学技术相关的课程、学科和学位，培养掌握量子信息科学技术的研究者和量子智能劳动力；第六，美国量子人才战略的特征为教育系统与政府、企业形成紧密的创新生态系统，坚持“科学优先”原则，注重推动量子工程学、量子机械学及材料学等多学科交叉融合，发挥STEM基础传统学科在量子工程中的基石作用；第七，美国量子人才战略面临的挑战主要为相关人才对科技成果转化的时间焦虑、学术晋升与终身教职的冲突和“文化迁移”。作者：田芬，西北工业大学高等教育研究所/教学研究与教师发展中心本文原载于《科技管理研究》2023年第12期本文有删节| | | | | | | | | | | | | | | |更多精彩敬请期待投稿邮箱： [email protected]