2021年1月,美国能源部（DOE）发布了“2020年度DOE国家实验室现状报告”。这份报告全面概述了DOE国家实验室及其相关科学和技术计划、管理方法和战略规划工作，并且每年都会更新DOE国家实验室的现状，如经费与来源、实物资产、人力资本、核心能力、任务专用设施以及成绩等方面内容。2020年度报告中突出展现了DOE国家实验室在应对生物威胁（COVID-19）、推进美国太空领导力以及研发未来量子信息技术中的作用，本文将对这一部分内容进行介绍。

    1 应对生物威胁（COVID- -19）

    当面临紧急需求时，DOE将号召国家实验室利用其独特的科学专业知识、工具、设施和学术环境迅速作出响应。在COVID-19大流行期间，国家实验室和外部合作伙伴合作共同制定解决方案，在流行病学研究、分子建模、保护个人防护用品（PPE）供应链、寻找基因组线索以及其他应对方面做出了贡献。

    国家实验室的集体快速响应工作包括非常成功地建立了新冠病毒高性能计算（COVID-19 HPC）联盟，通过该联盟提供的先进计算能力和系统处理了大量与生物信息学、流行病学和分子建模相关研究的计算量。阿贡国家实验室（ANL）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、橡树岭国家实验室（ORNL）和桑迪亚国家实验室（SNL）均加入到该联盟中。

    随着美国 COVID-19 病例急剧增加，抗击疫情所需物品相关的材料、制造和供应链出现危机。DOE迅速做出响应，成立了一个由15个国家实验室组成的制造工作组，以加速新技术的开发和部署到美国制造工业基地。几个国家实验室还采用了快速许可方法，加快进程将有前景的技术转让给行业合作伙伴。

    为了应对当前的COVID-19以及未来可能出现的流行病，DOE科学办公室(SC)设立了国家虚拟生物技术实验室（NVBL）以有效利用国家实验室世界领先的专业知识、能力和设施，如光源和中子源、纳米级科学中心、测序和生物表征设施以及高性能计算机。通过 NVBL，DOE 的 17 个国家实验室之间可以开展广泛的生物科学和生物技术专业知识合作，同时还能与学术界和工业界进行合作。

    2 推进美国太空领导力

    美国2020年发布的《国家空间政策》呼吁要动员全国来维持和提高美国在空间科学、技术、商业和国防方面的领先地位。DOE及其下属国家实验室一直是美国太空活动的关键参与者，其凭借多学科的科技人才以及独特的设施，以解决美国未来在太空探索、科学和商业方面的大规模且复杂的研发挑战，包括：①为太空探索任务提供动力；②解开太空之谜；③促进太空的安全与和平利用；④促进太空发展。

    几十年来，DOE创新体系一直致力于为美国太空项目设计、开发和部署空间核动力系统。为近30项任务提供了空间核动力系统，包括许多火星探测车、加利略木星探测任务、卡西尼土星探测任务以及旅行者和新地平线太阳系边缘及以外探测任务。

    DOE及其国家实验室也与美国太空界合作开发了许多其他使能技术和仪器，并为费米伽玛射线太空望远镜项目、普朗克宇宙微波本底任务、阿尔法磁谱仪项目以及探索宇宙（包括暗物质和暗能量）的各项实验等高科技任务提供了科技资源。

    DOE 一些国家实验室已经在太空科学研究中发挥重要作用，包括SLAC国家加速器实验室、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、费米国家加速器实验室（FNAL）、布鲁克海文国家实验室（BNL）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）。

    此外，DOE还拥有独特的能力，能够协助国防部对卫星等太空资产提供防御以及落实全球防御。美国空军和DOE国家核安全管理局（NNSA）在国防核探测系统方面已经开展了近60年的合作，SNL和LANL凭借先进的核爆探测仪器技术成为合作的关键技术提供者。LLNL正在利用计算机仿真来验证近地小行星是如何偏转的，这是美国国家航空航天局（NASA）2021 年双小行星重定向测试（DART）任务建模方案设计中的一项重要工作，是有史以来首次对近地小行星动力学撞击偏转的演示论证。

    3 研发未来量子信息技术

    量子信息科学（QIS是一种依赖量子效应的计算和信息处理技术，已成为未来的一项关键技术。QIS在传感与计量、网络、模拟和计算领域有着广泛应用，未来有可能在物理、化学、生物学和材料科学等关键领域取得重大进展。量子技术领先地位的竞争将是未来先进经济竞争力的一个决定性因素。美国于2018 年12月签署了《国家量子计划法案》，落实了“国家量子计划”正式成为美国法律，以通过利用学术界、工业界和DOE实验室的联合力量推动QIS突破。

    ANL、BNL、FNAL、LBNL 和 ORNL五个国家实验室牵头于2020年8月成立了国家QIS研究中心。这些中心的研发活动涵盖了QIS中的广泛范围，包括通信、计算或仿真、设备或传感器、材料或化学和半导体制造厂，这些领域涉及了QIS科技创新链的各个层面，从基础科学到设备、系统、原型和应用。在由DOE国家实验室领导的同时，这些中心将学术界和工业界作为参与合作伙伴，并制定了创新人力发展计划。

    DOE于2020年7月发布了量子互联网发展的战略蓝图，提出要确保美国处于全球量子竞赛的前列，引领通信新时代。这份战略蓝图是由 DOE下属各国家实验室、大学以及工业界联合制定的，内容包括要完成的核心研究、工程和设计瓶颈以及近期要达到的目标。ANL、FNAL 和芝加哥大学进行合作，BNL与石溪大学进行合作，均已建立了量子网络试验平台。基于量子网络试验平台的经验和专业知识，战略蓝图还提出了开发安全可靠系统的计划。量子互联网目前处于发展的初始阶段，未来将对科学、工业和国家安全相关关键领域产生深远影响。DOE及其国家实验室将联网成为未来量子互联网的支柱。