新的研究联盟使量子互联网更接近现实

哈佛大学和亚马逊网络服务公司(AWS)周一宣布建立战略联盟，以推进量子网络的基础研究和创新。

这项努力为哈佛大学教师主导的研究提供了大量资金，并将在这一关键新兴技术领域建立学生招聘、培训、推广和劳动力发展的能力。哈佛量子计划(HQI)致力于推动量子网络特定研究目标的快速进展。

通过由哈佛大学技术发展办公室发起的为期三年的研究联盟，AWS将为HQI在量子存储、集成光子学和量子材料方面由教师领导和设计的研究项目提供支持。这些研究项目的主要目标是为最终成为量子互联网的东西开发基础方法和技术。

来自AWS的单独慈善支持将帮助哈佛培训和支持研究生和博士后研究人员，特别是欢迎来自弱势背景的有抱负的科学家和工程师。

“通过合作，学术界和产业界可以加速发现和技术进步，”哈佛大学教务长艾伦·加伯(Alan M. Garber)说。“通过与AWS的联盟，我们将为量子科学的一些最激动人心的前沿领域带来科学学术和教育。我们将共同推进哈佛量子计划的目标，这是一个跨学院的计划，体现了跨不同科学领域合作的回报。”

AWS量子网络主管Antia Lamas-Linares表示:“量子网络是一个新兴的领域，有望帮助解决对我们的世界日益重要的挑战，如安全通信和强大的量子计算集群。”“AWS和哈佛大学之间的合作计划将利用顶尖研究人才来探索当今的量子网络，并建立一个框架来发展未来的量子劳动力。”

部分资金还将用于升级美国国家科学基金会支持的哈佛大学纳米尺度系统中心的量子制造能力，该中心是一个在纳米制造、材料表征、软光刻和成像方面非常重要的设施，位于剑桥和奥尔斯顿的科学与工程综合中心。

这些努力的发展势头不断增强。去年，哈佛大学宣布了一个新的量子科学与工程博士项目，并正在最终确定计划，全面翻新现有的校园建筑，成为HQI的新物理家园，以及一个量子中心，该项目是由Stacey L.和David E. Goel 93和其他几位校友捐赠的。

《Gazette报》采访了组成研究联盟的四位领导项目的教员:HQI联合主任Evelyn Hu，应用物理和电气工程Tarr-Coyne教授;林天赛电气工程教授Marko lonzar;George Vasmer Leverett物理学教授、HQI联席主任Mikhail Lukin;以及小马克·海曼化学教授朴洪坤。他们谈到了这项计划的核心研究，它将如何帮助学生，以及它如何建立在哈佛大学长期进步的基础上。为了清晰和长度，采访经过了编辑。

Q&

Evelyn Hu, Marko lonvar, Mikhail Lukin，和红坤公园

宪报:这是HQI和AWS之间令人兴奋的联盟。它对量子科学的研究代表着什么?为什么如此重要?

胡:首先，对于量子，我们的大部分研究仍然植根于对基础知识的理解，基础科学——化学、物理、工程学——以理解它是关于什么的。然而，与此同时，我们有这个不可思议的机会，意识到有一些应用正在走向商业世界。与AWS的联盟使我们能够无缝地连接不同领域的基础，这更典型的学术环境，通过了解应用程序在哪里，以及如何使这些应用程序从基础中实际出现来提供信息。这是与那些了解这些应用以及将科学、工程和技术带入商业部门，进而进入社会的人共同完成的。因此，该联盟为我们大学的所有人，特别是我们的学生，提供了一个前所未有的机会，以获得这一视角和这一机会。

宪报:说到学生，培养所谓的“Q一代”的关键是什么?

帕克:这种类型的工作需要不同专业的科学家和技术人员之间真正的跨学科合作。它还代表了学术界和产业界之间一种相对罕见但很快将变得普遍得多的合作。因此，它为学生提供了独特而肥沃的教育场地。

胡:考虑到尚未构建的基础平台的广阔范围，量子信息的截然不同的性质，以及到系统和应用的跨越距离，培养Q一代需要大量汇集非常多样化的人才、兴趣和专业知识，重写基础教育和培训规则。新型的产学研合作对于从基础到系统的跨越也至关重要:学生应该有机会参与合作，并直接了解所需的不同专业知识、观点和“互谅互让”。

LONČAR:在我看来，我们正在见证一门新的科学学科——量子工程的诞生。这与许多个月前的情况类似，例如，当电子工程从物理学中诞生时。像我们与AWS建立的这种行业关系，对于培养新一代工程师至关重要。

公报:该联盟是否促进了学术界和产业界的合作，特别是在这个地区?

卢金:这种连接尖端学术研究和领先产业合作伙伴的举措，对整个美国的新兴量子产业和量子生态系统至关重要，尤其是在波士顿地区。我们相信，波士顿地区拥有哈佛和麻省理工等学术机构，以及量子领域的一系列初创公司，已经在全球量子努力中发挥着领导作用，我们认为这种合作关系对继续在该领域发挥领导作用至关重要。

“我们在这里讨论的不仅仅是下一代互联网，而是具有根本性新功能的互联网。——Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett物理学教授，HQI联席主任

公报:项目分为三个领域:量子记忆、集成光子学和量子材料。你的目标是什么?

帕克:我们的主要目标是实现量子中继器的前景，这是量子互联网的支柱。在量子互联网中，通信将使用单个光子进行，由于其典型的量子性质，这些光子不能被复制或放大。其中一个问题是单个光子会丢失，即使是在光纤内，在大约100或200公里的范围内。所以，每隔100公里左右，我们要么需要将单个光子转换为经典信息，要么在没有真正测量的情况下“重复”它们。米沙[米哈伊尔]团队正在开发的量子中继器为这个问题提供了一个解决方案。

马科的团队正在执行另一项非常关键的任务，将量子中继器连接到我们今天使用的现有光纤网络。要做到这一点，你必须改变光子的波长从光学范围到电信范围。

伊芙琳和我正在研究下一代量子中继器的新材料，这样我们就可以让它们在更高的温度下工作，而不是我们目前工作的极低温。

胡:连接这些项目领域的部分目标最终是创建一个系统。这种基于系统的方法很少在大学中实施。我们需要资源、长寿、对外部市场和社会需求的了解。这次新的合作提供了这种补充。

“量子互联网的第一个现实应用是真正安全、不可破解的通信。——小马克·海曼化学教授朴洪坤

什么是量子互联网?它能做什么?

LONČAR:一个特点是信息的安全性，因为量子态的穿梭意味着您可以检测到任何窃听者的存在。第二个是相干性，基本上是一种访问量子计算机的方法——一旦它们准备好进入黄金时段——完全以量子的方式。例如，这可以允许用户生成一个复杂的量子态，通过量子互联网将其与量子算法一起发送到量子计算机，进行计算，然后检索计算结果的量子态。这样一个端到端的量子系统——我喜欢称之为“量子云”——将带来前所未有的计算能力和安全性。

宪报:量子互联网能像互联网一样是一个深远的进步吗?

胡:我的信念是，量子互联网带来的进步将是真正深远的，以我们目前无法预料的方式。总的来说，人类意识到或预测一项新技术的影响的能力总是有限的:早期，没有人很清楚该如何处理晶体管。谁知道个人电脑或智能手机会带来多么深远的变化?同样，如果我们能够比现在更快更安全地发送、接收、处理和存储信息，我们会做什么呢?我们会同时进行多任务，集成更多的传感器来无缝地投射现实世界的不同视角吗?

帕克:在我看来，量子互联网的第一个现实应用是真正安全、不可破解的通信。正如伊夫林所说，就像其他意义深远的技术发展一样，所有人都在猜测未来会如何发展。

卢金:我们在这里谈论的不只是下一代互联网，而是具有根本性新功能的互联网。除了安全通信，应用还包括具有全新可能性的网络量子计算机。一个例子是“盲”量子计算，计算可以在量子云上执行，任何人(包括运行云的各方)都没有可能发现正在计算的内容、新型分布式传感器网络、安全投票和决策等等。

这是一个转折点，一个新的科学领域正在诞生，涉及到量子物理学、化学、计算机科学和设备工程之间的接口。过去的类似例子包括电子工程或计算机科学等新领域的出现。它们产生于物理或数学等学科，都对科学和社会产生了深远的影响。

宪报:这个联盟建立在哈佛大学几十年来所做的基础性工作的基础上。你能给我们举一些这方面的例子吗?

卢金:如果我们追溯到20世纪50年代和60年代，重要的基础性工作已经完成，包括理解光的量子特性，如何思考它们，如何描述它们，光的量子性意味着什么。这是诺贝尔奖得主罗伊·格劳伯(Roy Glauber)的基础性工作。与此同时，另一位哈佛物理学教授、诺贝尔奖得主埃德·珀塞尔(Ed Purcell)也进行了一些真正具有基础性的研究，涉及辐射与物质的相互作用。这导致了所谓的Purcell效应，这实际上是我们用来使单个光子与单个原子强相互作用的现象。

大约20年前，哈佛大学发生了另一项突破:与世界各地的几位合作者一起，我们从理论上提出了量子中继器的想法——这是量子互联网的基本构建模块，可以纠正量子传输中的错误。其中包括使用内存构建量子中继器的概念性方法，以及如何在实践中使用钻石中的类原子杂质来构建量子中继器的具体想法。后来，我们进行了早期的工作，操纵钻石中的单个原子样缺陷。很快我们就意识到，为了让这些东西在未来的某一天变得实用，我们不仅需要基础物理学，还需要化学、光子工程、材料科学。我们不同团队之间的合作就是这样开始的。另一个非常重要的突破发生在马科的团队中，他们开发了一种用钻石制造纳米级设备的技术——这在以前是完全不可能的。这对于实现我们最终在实验室中演示的实际量子网络节点至关重要。从那以后，马科的团队意识到最好的方法是尝试用钻石制造小型纳米级设备。

所以，我们已经做了几十年的工作，从最基本的事情开始，比如理解单个原子和单个光子之间的基本相互作用，到更实际的问题，比如如何制造这些完全未来的设备——20年前，我们完全无法想象能用钻石制造任何设备。

我们现在所处的位置是多种奇迹的结果，有些是小奇迹，有些是大奇迹。我们现在想要做的是将这些积木开始制造设备并将它们组合成系统，就像Evelyn说的，这些系统将拥有前所未有的能力。

胡:米沙说这是一连串的奇迹。科学总是奇迹，但我认为它不止于此。我认为这是长期的承诺。Misha所描述的——回溯到20世纪50年代，当然也包括最近的——是玩长远的游戏，对可能性的承诺，以及与人合作，即使是在早期阶段，当可能性还没有完全理解，更不用说实现的时候。只有从长远的角度出发，对合作做出承诺——以及将合作维系在一起的潜在信任——奇迹才会真正出现。

文章旨在传播新闻信息，原文请查看https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/09/new-research-alliance-brings-quantum-internet-closer-to-reality/