小国也有量子梦：以色列

光子盒研究院出品 

大约15年前，美国国防高级研究计划局(DARPA)的一个高级官员代表团访问了以色列量子物理学家Ron Folman在内盖夫本-古里安大学(BGU)的实验室。

他大吃一惊。“我问他们，‘你们为什么在这里？你们的钱、科学家和空间比我多一千倍，’”Folman回忆道。“代表团团长回答说，‘我们听说了你们在做的事，我想亲眼看到以色列的这种创造力。’”

在Folman看来，这句话巧妙地描述了以色列在量子科学和技术领域的巨大全球影响力。

以色列在量子领域的影响力超过了自身的国家实力。尽管近年来以色列政局动荡，但以色列议会仍然承诺向2019年末启动的为期五年的国家量子计划提供12.5亿谢克尔(4亿美元)。领导该计划的实验物理学家Tal David说，在新冠疫情大流行期间，以色列经济刺激项目推动了该计划的进展。其中一个项目将投资6000万美元用于建造该国第一台量子计算机，预计30-40个量子比特，定于2022年初开始。

“我们并不希望能在未来几年内击败IBM或谷歌，”David说。“我们首先需要在以色列建立一个生态系统的基础，这将是该项目的目的。也许几年后，我们将能够跳入池塘的最深处，与大公司竞争。”

David说，如今该计划60%或更多的资金用于学术界。以色列是欧洲研究委员会的准成员，在量子领域的引用和拨款数量等指标上，以色列一直排在领先的欧洲国家的前列。

以色列Quantum Machines公司制造的量子编排硬件和软件控制超导量子比特。

但David表示，该计划的重心正开始转向产业界，这将会进一步刺激过去两年的爆炸性增长——在此期间，从事量子技术的以色列公司数量从5家激增至30家。新条目涵盖国防和民用应用的硬件和软件。“这是一个很小的生态系统，但它的发展相当迅速，而且非常多样化，”他补充说，“人们正试图避免踩到彼此的脚。”

到目前为止，已经成立三年的Quantum Machines公司吸引了7500万美元的私人投资，按这一标准衡量，它已经跻身于世界顶级量子初创公司之列。而在两年前进入量子通信业务的Mellanox Technologies于2020年被英伟达收购。大多数的科技巨头，包括微软、谷歌、亚马逊、英特尔，都在以色列设有研发中心，作为新量子公司的孵化中心。

以色列从同名的2009年畅销书中获得了“创业国家”的称号，它拥有一个现有的高科技创新生态系统，其中包括一个渴望支持发明家的政府。这一支持反过来又吸引了来自该国大量风险资本的投资。“当他们看到政府在努力推动时，他们就更容易冒险了。”David说。“在某种程度上，我们正在与私营部门分摊风险。”

以色列量子加密初创公司QuantLR的首席执行官Shlomi Cohen表示，在高科技领域，“基本上任何提出想法并能够证明这个想法的人都可能得到某项政府拨款来启动它。在以色列，有6500多家初创企业。我认为我们是仅次于美国的。”

Cohen说，以色列陆军、空军和情报部门是“量子产业的支柱”。军队既是量子技术的消费者，也是初创企业技术人才的来源。以色列政府所有的国防承包商Rafael Advanced Defense Systems与包括BGU和魏茨曼科学研究所在内的学术机构都签订了技术共享协议。魏茨曼物理学家Nir Davidson说，以色列国防工业大约十年前开始对量子传感感兴趣。

以色列量子国家计划已向一个由五家公司和八个学术团体组成的量子传感联盟拨款4000万美元，其中包括Folman和Davidson的实验室。

围绕量子密码技术也组织了一个类似的联盟，David说，从大学到产业再到大型组织和政府的应用，这个联盟的活动“比我们预期的要快得多”。

第三个联盟旨在扩大以色列在量子计算领域的影响力，他说，“我们在量子计算领域有一个很好的开端，但规模很小。”

Davidson正在开发一种冷原子重力仪——将在惯性导航系统和基础科学中用作加速度计。Davidson实验室还有一种量子启发技术LightSolver。虽然从技术上讲它不是量子计算机，但正在开发的桌面设备将使用耦合激光阵列来执行计算。

Davidson说，对于量子计算在未来十年是否会得到广泛应用，仍然没有定论，但“如果它真的得到广泛应用，它将改变游戏规则，人们将投入巨额资金。”Quantum Machines公司有望在这一事件中受益，它由三名在魏茨曼物理学家Moty Heiblum实验室获得博士学位的物理学家创立。该公司的量子编排平台将复杂软件与量子处理器进行通信，并执行量子纠错。Quantum Machines表示，无论未来什么类型的量子计算平台占据主导地位，这些设备都可以使用。

Quantum Machines的首席执行官兼联合创始人Itamar Sivan毫不怀疑量子计算将会起飞。“问题是什么时候。”他将其70名员工的公司的成功很大程度上归因于可用的资金流。“以色列有伟大的工程师和惊人的天赋。我们在这里可以找到既是量子方面的专家，又有一些工程背景的人。”其中许多人来自国防部门。

而Folman的实验室已经交付了两个量子原型机：一个紧凑、坚固的冷原子钟和一个灵敏的磁原子传感器。Amir Waxman七年前离开Folman实验室，为以色列铷钟制造商AccuBeat工作。他继续与BGU研究人员合作，将AccuBeat开发的新时钟技术商业化。

Waxman表示，今天的商用原子钟在2000年内精确到1秒以内，而新型原子钟在100万年内只有1秒误差。这种精度对于雷达、金融交易、电力传输中的相位同步和惯性导航等众多应用都非常重要。他解释说，例如，用雷达测量，一纳秒可以产生几米的距离误差，而确定金融工具交易的准确顺序至关重要，这些交易通常相隔几微秒。

Folman实验室目前正在开发一种小型化的镱光学频率原子钟，其精度将比现在的原子钟高五个数量级。

BGU制造的原子芯片。该芯片是Stern–Gerlach原子干涉仪传感器的一部分。

该实验室同时在研制原子芯片冷原子装置，包括微型粒子源、真空泵、激光器和电磁场源，用于制备、操纵和测量单个原子。该芯片还包含用于读出的电子器件和光纤。Folman表示，正如晶体管的小型化引发了笔记本电脑和手机等设备的电子革命一样，原子芯片可以实现量子技术的小型化，从而提高精度和复杂性，降低功耗。

量子传感器可以绘制人脑地图，提供用于药物开发的量子模拟器，允许远程量子通信。量子重力传感器可以产生地下图像，预测地震和火山爆发。对于军方来说，隐形技术有被克服的危险，“没有人知道如何对抗重力信号，”Folman指出。

为了适应原子芯片所需的新型设计、几何结构和材料，BGU建造了Folman所说的可能是世界上第一个专门用于原子芯片研发的制造工厂。它已经从德国、英国、荷兰、意大利和美国的研发中心获得了订单。美国科罗拉多州的ColdQuanta和马里兰州的IonQ等公司已经在生产这种商用芯片。

Folman说，以色列的义务服兵役也有助于国家的科技成功。“他们学会了相互补充和信任。”但这还不够，他说。“归根结底，你需要创新和创造力。以色列人民对创新充满热情。”

在Raicol Crystals和Tabor Electronics公司进入量子领域的过程中，意外发现都起到了一定的作用。这两家以色列公司早在五年前量子技术开始起飞时就建立了业务线。成立于1995年的Raicol公司为激光和光学行业制造晶体，该公司发现物理学家在研究中使用其非线性周期性极化磷酸氧钛钾晶体，通过一种称为自发参量下转换的过程产生纠缠光子。产品管理和战略副总裁Ori Levin说，Raicol通过为量子计算、通信和传感应用定制晶体来应对这个新兴市场。

魏茨曼科学研究所的量子重力仪装置。

十年前，已有50年历史的Tabor Electronics得知它的一些物理学家客户在量子研究中使用其标准信号发生器产品。该公司的副总裁兼美洲区总经理Mark Elo表示，2021年早些时候，该公司推出了一款专门为量子计算、通信和传感设计的专用任意波形收发器。以色列创新局提供资金支持新仪器的开发。

Cohen说，成立两年的初创公司QuantLR预计将在大约一年内开始提供量子光子数据加密系统。“我们使用光子的叠加来发送密钥加密，”他说。

QuantLR的硬件和软件保护通过光缆传输的数据，传输距离可达100公里，超过100公里将需要冷却系统。他表示，数据中心、金融机构、公用事业、基础设施和5G基站之间的大多数光纤通信都在这一范围内。“入侵将产生可以检测到的噪音，数据流不会变慢，因为量子密钥将通过光缆中的两个专用通道传输，而不是连接到数据本身。”

该公司正在与亚马逊、微软和Telefónica等数据中心运营商以及思科、诺基亚、爱立信和华为等5G公司进行“深入讨论”。

David相信还有很多事情要做。他说，以色列“处于量子核心”的主要研究人员约有125人，这对于一个小国来说也很低。相比之下，约有300名主要研究人员在以色列为期10年的国家纳米技术计划中从事基础科学工作，该计划已经于2016年结束。他说：“我们面临的最大挑战之一是提高该领域学术界和产业界的水平，同时保持高度的科学和技术优势。”

Davidson说，尽管以色列在欧洲研究委员会的资助下取得了成功，“唯一的标准是科学上的卓越”，但在由欧盟始于2018年的为期10年的量子旗舰项目资助的国际合作方面，以色列做得并不好。

其他学科必须参与进来，以充分利用量子的潜力。Folman说：“即使你构建了一个量子设备的核心，也需要许多层级和技术才能工作。”但材料科学、工程、化学，甚至生物医学，无论是在以色列还是在全世界，都尚未与物理学和计算机科学合作。“虽然今天这些学科与量子技术几乎没有什么联系。但这最终是一项跨学科的努力。”

量子算法设计公司Classiq的业务发展和合作负责人Shai Lev也是Qubit的联合创始人，这是一个基层量子社区，旨在吸引物理学和计算机科学以外的学科进入量子世界。虽然该组织组织的大多数定期研讨会都是高度技术性的，但也有一些研讨会专门讨论创业的财务方面问题。Soluto的产品运营经理Shir Peri Lichtig和另一位Qubit联合创始人说，在新冠肺炎迫使他们进入虚拟模式后，这些课程的受欢迎程度飙升，并成为国际性课程。从那时起，伦敦帝国理工学院的Terry Rudolph；加州大学圣巴巴拉分校的John Martinis；Rigetti Computing公司的首席执行官Chad Rigetti也参与了这次会谈。

还有一个有趣的角度，以色列在科技领域占有一席之地的另一个原因可能是它的规模很小。“这里大学之间的最大距离大约是200公里，人们相互了解，人们总是在寻找下一个新事物，在他们周围有一个充满活力的社区。”Lev说。

参考链接：

https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4898

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：