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量子信息科学是计算机、通信和传感应用的一个新纪元,在量子信息科学的全球竞争中,美国拥有独特的优势——政府、学术界和工业界合作实现新技术突破的优良传统。最典型的例子是互联网,半个世纪前由政府倡议发起,包括学术研究中心、开发新硬件和软件的私营公司。
上个月,美国能源部(DOE)宣布开发国家量子互联网,“将美国带到全球量子竞赛的最前沿,并开创通信的新时代”,能源部的17个国家实验室将作为计划中的“几乎不可破解”的骨干,需要各联邦机构、学术机构和工业之间的“紧密协调”。
量子经济发展联盟(QED-C)
美国能源部希望量子互联网成为《国家量子倡议法案》的实施途径之一。该法案几乎获得国会参众两院一致通过,并由特朗普于2018年12月21日签署成为法律,承诺在五年内提供12亿美元的资金推广量子信息科学。本法律呼吁制定研究、发展、标准计划;建立国家量子协调办公室;投资于探索性研究和新的研究和工程中心;在量子信息科学方面培训科学家和工程师。
该法案也促成了量子经济发展联盟(QED-C)的成立。QED-C联盟由美国国家标准与技术研究院(NIST)监管,致力于创建一个强大的美国量子生态系统,建立开发标准和量子培训的劳动力,并协调与政府机构的合作伙伴关系。
《国家量子倡议法案》
QED-C副总监Celia Merzbacher说,“我们联盟为讨论新兴产业提供了一个论坛,使得政府机构可以获得行业的集体声音。”
目前该联盟大约有170名成员,包括大公司、初创公司、研究中心、国家实验室和各种非营利组织,其工作目前围绕四个方面展开:突出最有前途的商业使用案例,帮助定义标准和基准,确定使能技术,以及发展一支“随时准备就绪”的队伍。
各类主题研讨会是联盟收集成员意见的主要方式,既有助于确定研究需求,又能为政企合作开展的后续调查提供建议。Merzbacher说:“一切才刚刚开始。”
芝加哥量子交易所
芝加哥量子交易所是由国家实验室(阿贡和费米)、大学(芝加哥大学、伊利诺伊大学香槟分校、威斯康星大学麦迪逊分校和西北大学)、许多大公司(如波音公司、应用材料公司、摩根大通)和初创公司(如Rigetti Computing)合作创建的另一个会议场所。
芝加哥大学自旋电子学和量子信息Liew家族教授、阿贡国家实验室的高级科学家、芝加哥量子交易所的主任David Awschalom说:“在这个新兴的领域,科学和工程结合在一起,需要与公司合作,因为一些最先进的工程正在工业世界中发生。”
芝加哥量子交易所大约有150名量子科学家,在国家科学基金资助的帮助下,研究生可以和两名顾问一起完成博士学位,其中一名顾问来自国家实验室或参与的公司。
Awschalom说:“它让学生们了解在工业环境中进行研究是什么,并熟悉现实世界中的实际商业挑战”。在量子世界中,应用、技术和科学都是相互联系的,因此,了解这些东西的用途非常重要。
商界关注的新兴技术
量子信息新时代的“用例”或“杀手级应用”将是什么?为什么现在商界要关注这些新兴技术?
Awschalom说:“量子通信已经开始了。”今年2月,阿尔贡国家实验室和芝加哥大学宣布52英里的量子网络“利用量子力学的独特性质,最终将信息瞬间传送到远处。”它是上面提到的“不可破解的”量子互联网的基础,因为量子在被观察时会发生变化。
伊利诺伊州阿贡国家实验室
“对于信息安全来说,它是一种资产,而不是一种负担,开发一个基于量子物理定律的通信系统可以提供一种内在的安全性。”Awschalom说。
对于热衷安全通信的金融服务公司来说,这可能是量子信息科学的第一个应用,现在是探索它的时候了。Awschalom说:“摩根大通和高盛如今拥有强大的量子集团是非常合理的,由于量子态对环境的敏感性,我们努力地将量子比特与外部世界隔离开来。对于传感器,采取相反的方法,故意暴露在外面,它就变成了一个非常精确的传感器。”
量子传感已经被用于精确测量磁场。最近,研究人员证明了世界上最小的磁共振成像核磁共振成像、磁共振光谱学和单分子成像。“想象一下,如果我们能用单分子分辨率进行核磁共振成像,我们的世界将会发生怎样的变化,它将彻底改变生物学和化学”。
尽管量子计算最终可能会比量子通信和量子传感产生更大的实际影响,但它还没有出现,而且可能还不会出现。Merzbacher说:“目前的挑战是没有一台量子计算机能够提供优势(即超越当今超级计算机的能力)。”
但另一方面,Awschalom认为,“这些事情发生得非常快,”他建议公司现在就做好准备,培养一支“具备量子科学和工程知识的员工队伍。”
下个月,芝加哥量子交易所将推出第一个量子工程与技术证书课程。它的目标受众是为公司工作的专业人士,如工程师、计算机科学家或工业研究人员。
Awschalom说:“我们认为,如果稍微再培训一下,就会有成千上万的工程师在量子领域发挥巨大作用。”他还建议公司举办与量子相关的研讨会,邀请专业人士来讨论可能的量子应用及其对特定业务的影响,以及他们今天应该采取的措施。公司接近量子技术的另一种方式是资助博士生研究与其行业相关的课题。
默兹巴赫说:“制药业可能比其他行业更有组织性,他们希望做好准备。”QED-C与皮斯托亚联盟和QuPharm建立一个跨行业的利益共同体。调查发现,31%接受调查的生命科学组织将在今年开始量子计算评估,另有39%的组织计划在明年进行评估,或者让量子计算“进入他们的雷达”。
现在,美国政府、学界和工业界正携手走向量子霸权。
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1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”,公众号名称正源于此。
