自半个世纪前提出量子计算以来，量子计算一直局限于科幻小说和物理学家的白日梦中。
后来一切都变了。
芝加哥大学(University of Chicago)分子工程研究所(Institute for Molecular Engineering)的大卫·奥沙洛姆(David Awschalom)教授表示:“在过去10年里，量子信息科学领域迅速从基础研究扩展到现实应用。”
在幕后，一系列的突破使得科学家能够在量子系统中编码和操纵信息，量子系统的行为遵循量子力学的奇怪定律。如今，像IME这样的大学科学家正在充实控制这类系统的基本规则，而谷歌、IBM、微软(Microsoft)和英特尔(Intel)正投入数百万美元，竞相将这些概念构建到可工作的计算机中。
量子计算机应该能够比现在的计算机更快地解决某些问题。由于它们能自然地同时处理多种可能性，人们认为它们可以加速寻找新的药物，改进电池，并找到更环保的制造化学品的方法。(政府对这些数据也很感兴趣，因为这类计算机可能能够分解目前加密全球金融、政治和军事机密的大量数据。)
但计算并不是发掘量子怪癖的唯一途径。芝加哥大学的科学家们正在塑造一个广阔的新领域，这一领域之所以成为可能，是因为我们操纵量子系统的能力日益增强。事实上，在主要的量子技术中，研究人员认为计算机是最难以实现的。在此之前，有可能实现天生安全的通信和精确的导航系统。量子传感器可能会发现隐藏的地下油袋，改进地震监测，解开单个分子的结构，或者窥视细胞内蛋白质的忙碌舞蹈。
“分子工程研究所(Institute for Molecular Engineering)正在展望未来10年或15年的前景，”普利兹克能源研究所(Pritzker)的创始人、所长兼院长马修·提雷尔(Matthew Tirrell)说。“虽然谷歌和英特尔正在努力构建原型系统，但我们需要为理解这些量子技术奠定科学基础，为了做到这一点，我们正在建立一个研究所，汇集了在多个相邻领域拥有深厚知识的专家。”
发现正确的成分
IME处于独特的地位，能够解决量子技术将从中诞生的科学问题。除了最先进的普利兹克纳米制造设备，该研究所还与芝加哥大学的两个附属国家实验室——阿贡国家实验室(Argonne national Laboratory)和费米实验室(Fermilab)密切合作;事实上，去年，IME成立了一个名为芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)的中心，协调这三家机构之间的研究。该研究所还与芝加哥大学的波尔斯基创业创新中心(Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation)合作，将突破商业化。
该研究所的成立是为了解决跨越多个科学领域的问题——鼓励研究人员利用他们周围广泛的专业知识，这是快速实现实验室发现的全部潜力的关键。
几年前，Awschalom的研究小组在一种叫做碳化硅的普通材料中发现了量子行为。没有人想到会在那里看到它;没有人能解释为什么会这样。因此，他们联系了其他研究人员，包括分子工程研究所电子结构与模拟系的刘家教授朱利亚加利(Giulia Galli)。
“我们会见了朱利亚，她是一位理论物理学家。几个月后，她和她的学生想出了一些聪明的模型来解释我们观察到的潜在行为。”“现在我们正在与隔壁的安德鲁·克莱兰合作，开始将这些量子态整合到混合设备中。现在有数百种潜在的方法可以将这些材料开发成有用的系统。”
所有这一切的结果是，研究可以更快地成为我们生活的一部分。“最终，我们认为量子技术将在计算之外的许多方面影响世界，”Awschalom说。
把你的直觉留在门外
量子力学是科学家描述基本粒子行为的方法。该理论建立于20世纪，它的一些核心原则是由爱因斯坦提出的，尽管他对这些原则的含义感到不安，这是出了名的。物理学家最初是通过观察粒子的行为来检验这些理论的，比如光的光子，它们既是波又是粒子。拉上这根线，你会发现一个与我们习惯的世界不一致的宇宙。
“很难对量子行为形成一种良好的直觉，”Awschalom说，“因为所有事物的行为都与我们所知的经典世界截然不同。”
根据量子力学，物体可以同时占据不同的位置;它们能穿墙而过;它们可以互相纠缠，就好像它们“知道”几英里甚至几光年之外发生了什么。如果你测量一个量子态，它会改变。因此，科学家必须建立能够创造、操纵和移动这些粒子的系统，同时谨慎地避免与它们发生不必要的互动。
激发量子计算机想法的是粒子可以同时存在于两个位置，这一概念被称为“叠加”。你可能熟悉当今所有计算机都使用的二进制语言，它只包含两个选项:0和1。量子计算机可以通过对同时存在于多个状态的信息进行编码来扩展这种语言，这使您可以以非常不同的方式处理问题。由于自然界的行为是量子力学的，在某种程度上，我们需要一台量子计算机来模拟这些过程。伴随着全新电脑的是需要新算法:街对面的输入法,NSF项目由弗雷德庄,1000万美元的西摩古德曼教授计算机科学,将设计硬件和软件来帮助更快地实现量子计算的潜力。
现在已经有一些大约5个量子比特(称为量子位)的小系统，任何人都可以在网上玩。预计今年内，一些最大的科技公司将推出包含50个或更多量子位元的工作系统。
“每次加入一个量子位元，计算机的功率就会翻倍，这很快就能得到巨大的能量，”分子工程创新与企业高级约翰·a·麦克林(John a . MacLean Sr.)教授安德鲁·克莱兰(Andrew Cleland)说。“但要让他们都按照你想要的方式行事，是非常困难的。”
难点
量子系统非常敏感。它们会因为温度、磁力、噪音或路过的人的微小变化而偏离方向。Awschalom说:“在这个领域的一个主要挑战是在真实世界的设备中保持量子信号的完整性。”
舒斯特尔(David Schuster)教授说:“我们真正好的系统现在可以持续几十微秒。”“但在这段时间里，你可以做很多事情。”
但量子的怪癖让它变得有趣。虽然无法在不把所有事情搞砸的情况下阅读你的信息是令人沮丧的，但这对于设计一个防黑客通信系统来说是完美的:如果有人窃听，信息将被销毁。
同样，量子系统对最小扰动的响应倾向使它们成为完美的传感器。“使用量子传感器，你处理的是绝对最小的能量，因此你可以感知其他技术无法感知的东西，”克莱兰说。
他们可以探测到一些微小的重力变化，这些变化表明一个地区的地面密度比另一个地区要大——这可以探测到未开采的石油或矿产，或者让我们更接近于预测地震。他们甚至有可能探测到暗物质。
医学也很感兴趣。解开蛋白质结构和细胞结构是制造更好药物的关键，人们认为量子传感器可以更快、更灵敏地做到这一点。它甚至有一天可以窥视我们自己细胞的内部运作。“如果我们能把纳米尺度的量子传感器植入活细胞中，并实时观察它们的行为，想想推进生物学和医学的可能性，”Awschalom说。
然而，只有当科学家们理解了如何正确控制量子系统的基本原理，这些应用才会出现。首先，他们需要了解如何防止磁场快速摧毁这样的系统;如何使更大的系统保持一致;以及如何将它们与现有技术相结合。
“对于大学的科学家和工程师来说，这些都是重要的问题，因为这种潜在的物理学最终将决定量子技术的极限，”Awschalom说。“要回答这些问题，我们需要计算机科学家、工程师和物理学家共同努力。”
随着科学发展成为成熟的技术，世界将需要新一代的量子工程师，Awschalom说。此外，国家科学基金会还将拨款150万美元，资助一个由Awschalom和哈佛大学的Evelyn Hu领导的创新项目，让研究生与来自学术界和产业界的导师一起解决具体问题。
IME的研究人员说，这一领域的工作令人兴奋，尤其是对那些亲眼目睹该领域发展的科学家来说。“当我读研究生的时候，课本上都是漂亮的图片，你知道你不能把它们应用到现实世界的任何东西上，”克莱兰说。“但障碍开始消失，现在我们不仅在做那些教科书上的例子，而且远远超出了它们。”