建设量子互联网：哈佛大学和亚马逊启动战略联盟

光子盒研究院出品

9月12日，哈佛大学和亚马逊网络服务(AWS)启动了战略联盟[1]，以推进量子网络的基础研究和创新。

哈佛研究人员使用量子模拟器工作。

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为期三年：推动哈佛量子计划，助力量子互联网

这项工作为哈佛大学教师主导的研究提供了大量资金，并将在这一关键的新兴技术领域建立学生招聘、培训、外展和劳动力发展的能力。该计划的重点是推动哈佛量子倡议(HQI)中心的量子网络特定研究目标的快速进展。

通过由哈佛大学技术开发办公室支持的为期三年的研究联盟，AWS将为HQI在量子存储器、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；研究项目的主要目标是为量子互联网开发基础方法和技术。

“通过合作，学术界和工业界可以加速发现和技术进步，”哈佛教务长Alan M. Garber说：“通过与AWS联盟，我们将把科学学术和教育带到量子科学中一些最激动人心的前沿。我们将共同推进哈佛量子倡议的目标，这是一项跨学科计划，体现了跨不同科学领域合作的回报。”

AWS量子网络负责人Antia Lamas-Linares表示：“量子网络是一个新兴领域，有望帮助应对对我们世界日益重要的挑战，例如安全通信和强大的量子计算集群。AWS和哈佛之间的合作计划将利用顶尖的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。”

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扩大量子影响的潜力，业界与学界的突破性合作

AWS将支持HQI在量子存储器、集成光子学和量子材料领域由教师领导和设计的研究项目。部分资金还将用于升级NSF支持的哈佛纳米系统中心的量子制造能力；该中心是纳米制造、材料表征、软光刻和成像的关键设施。

研究项目的总体目标是为量子互联网开发基础方法和技术，其中，通信和信息处理是根据量子力学定律进行的。随着世界面临对隐私和安全的威胁，探索可能的量子网络应用是一个重要的关注领域；量子网络中的信息行为有望实现前所未有的安全性和匿名性。然而，为了实现这些愿望，物理学家、工程师和材料科学家必须克服长距离存储、操纵、重复和传输量子信息等挑战。

Lamas-Linares说：“探索这一潜力需要深入了解该行业最严峻的科学挑战，这将导致量子网络的新硬件、软件和应用程序的开发。”

“这些项目建立在哈佛实验室十多年来由几代学生和博士后所做的基础工作的基础上，他们推动了从理论到实验物理学、设备工程和材料开发的前沿领域。”物理学教授和HQI联合主任Mikhail Lukin表示。

在哈佛研究的同时，AWS研究人员也将努力提高量子存储技术的工程成熟度和可扩展性。AWS将专注于解决科学和工程挑战，目标是为量子网络开发新的硬件、软件和应用程序，以连接和增强单个量子处理器的功能。

Mikhail Lukin表示：“量子等先进技术领域的创新将需要学术实验室、小产业、领先企业以及可能的政府实验室的合作。实现此类合作是HQI使命的一部分，与AWS的联盟是朝着这个方向迈出的关键一步。”

“在量子方面，我们有一个独特的机会，因为这项研究仍处于基础发现的早期阶段，但也处于商业实施的门槛，”HQI联合主任、Tarr-Coyne应用物理和电气教授Evelyn Hu说：“这在科技界是非常不寻常的。尤其对于在这一领域接受培训的学生来说，了解科学和工程可以做什么，以及它需要做什么才能扩大规模、走向外部世界并具有相关性，这一点很重要。”

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多元化的未来，培养下一代量子劳动力

除了量子研究合作之外，AWS的补充慈善支持将帮助哈佛培养和支持研究生和博士后研究人员，特别是旨在欢迎来自各个背景的、有抱负的科学家和工程师。

虽然行业报告估计量子技术将在未来十年创造数千亿美元的价值，但仍然没有足够的量子专家来承担这项工作。拜登最近的政令中也提到了量子技术劳动力的短缺。HQI的“AWS Generation Q基金“的目标是建立一个由高素质研究人员组成的多元化人才管道，以培养下一代量子科学家和工程师。

HQI联合主任Evelyn Hu表示：“AWS欣赏HQI可以在帮助建立量子劳动力的未来、为下一代领导者和创新者创造机会方面发挥深远和开创性的作用。包括通过接受艺术研究生院的目标和科学的研究学者计划（RSI）和其他‘为更高学位项目提供探索性桥梁‘的项目。此类计划可以提供指导性研究和培训、向学生介绍量子研究，并为课程作业以及参加和出席会议提供资金。这些学术桥梁对于将更广泛的人群引入量子社区非常重要。”

“合格的受过量子教育的劳动力短缺，不仅是物理学家、工程师，甚至是参与经营这些业务的人。”Lukin补充道：“我们处于一个独特的位置，可以做出贡献：基本上，美国和国外所有主要的量子研究中心都有几位在哈佛接受过教育的教职员工和小组负责人。”

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新型工业-学术合作

随后，哈佛官方媒体——哈佛公报（the harvard gazette），采访了领导组成研究联盟的项目的四位教职员工：HQI联合主任Evelyn Hu、电气工程教授Marko Lončar、物理学教授和HQI联合主任Mikhail Lukin，和化学教授Hongkun Park。

从左到右：Evelyn Hu、Marko Lončar、Mikhail Lukin、Hongkun Park

访谈中，他们谈到了该计划的核心研究，它将如何帮助学生，以及这些计划的实施将如何建立在哈佛悠久的发展历史之上。

哈佛公报：这是HQI和AWS之间令人兴奋的联盟。它对量子科学的研究有什么意义，为什么重要？

Evelyn Hu：首先，对于量子，我们的许多研究仍然扎根于理解基础知识，基础科学（化学、物理、工程），以了解它的全部内容。然而，在同一时间，我们也意识到有一些应用正在进入商业世界。与AWS的联盟使我们能够在不同的领域无缝连接基础知识，更典型的学术环境，了解应用在哪里，以及如何使这些应用真正从基础知识中出现。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并因此带入社会意味着什么的人共同完成的。因此，该联盟代表了一个前所未有的机会，使我们所有大学的人，特别是我们的学生，能够获得这种观点和机会。

哈佛公报：谈到学生，培训被称为"Q世代"的人有什么具体的关键？

Hongkun Park：这种类型的工作需要不同专长的科学家和技术专家之间真正的跨学科合作。它也代表了学术界和工业界之间相对罕见的、但很快就会更普遍的合作。因此，它为学生提供了独特而肥沃的教育土壤。

Evelyn Hu：鉴于有待构建的基础平台的广泛范围、量子信息的非常不同的性质，以及从距离到系统和应用的跨越，培训Q世代需要大量调动非常多样化的人才、兴趣、专业知识，重写基础教育和培训规则。新型工业-学术合作对于跨越基础知识和系统也是至关重要的。学生应该有机会参与合作，并直接了解不同的专业知识、观点和所需的“付出和回报”。

Marko Lončar：在我看来，我们正在见证一门新的科学学科的诞生——量子工程。这与许多年前电气工程从物理学中诞生的情况类似，比如说。像我们正在与AWS建立的工业关系，对于培训新一代的工程师至关重要。

哈佛公报：该联盟是否推进了学术界和产业界的合作方式，特别是在这个地区？

Mikhail Lukin：这种倡议——连接尖端学术研究和领先的行业合作伙伴，对整个美国，特别是波士顿地区的新兴量子产业和量子生态系统至关重要。我们相信，波士顿地区拥有哈佛大学和麻省理工学院等学术机构，以及一系列量子领域的初创企业，已经在世界范围内的量子工作中发挥了领导作用，我们认为这种伙伴关系对于继续保持这一领域的领导地位至关重要。

哈佛公报：这些项目分为三个领域：量子存储器，集成光子学，和量子材料。你们在这里的目标是什么？

Hongkun Park：我们的主要目标是实现量子中继器，它是量子互联网的骨干。在量子互联网中，通信将使用单个光子进行，由于其本质上的量子特性，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，甚至在光纤内大约100公里或200公里的范围内。因此，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，要么以某种方式“重复”它们而不真正测量它们。Mikhail小组正在开发的量子中继器为这个问题提供了一个解决方案。

Marko的团队正在执行另一项非常关键的任务，即把量子中继器与我们今天使用的现有光纤网络连接起来。要做到这一点，你必须将光子的波长从光学范围改为电信范围。Evelyn和我正在努力为下一代的量子中继器探索新的材料，这样我们就可以使它们在高温下工作，而不是我们目前的极低温度。

Evelyn Hu：将这些项目领域联系起来的部分目标最终是建立一个系统，这种基于系统的方法很少在大学里进行。我们需要资源、需要长期性、需要对外部市场和社会需求的了解。这种新的合作提供了相关补充。

哈佛公报：什么是量子互联网？它能做什么？

Marko Lončar：一个特点是信息的安全性，因为量子状态的穿梭意味着你可以检测到任何窃听者的存在。第二个是一致性，基本上是一种访问量子计算机的方式:一旦它们准备好进入黄金时间/以完全量子的方式。例如，这可以让用户生成一个复杂的量子状态，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，然后检索作为计算结果的量子状态。这样一个端到端的量子系统（我喜欢叫它“量子云”）将带来前所未有的计算能力和安全性。

哈佛公报：量子互联网会不会像互联网一样是一个深刻的进步？

Evelyn Hu：我相信，量子互联网带来的进步将是真正深刻的，其方式是我们目前无法预见的。一般来说，人类在实现或预测一项新技术的影响方面的能力总是很有限。早期，没有人知道该用晶体管做什么。谁知道个人电脑或智能手机会产生什么深刻的变化？同样，如果我们能够比现在更快速、更安全地发送、接收、处理和存储信息，我们可能会做什么？我们会不会进行多任务处理，整合越来越多的传感器，以无缝地投射出现实世界的不同景象？

Hongkun Park：在我看来，量子互联网的第一个现实世界的应用是真正安全的、不可破解的通信。正如Evelyn所说，就像其他深刻的技术发展一样，谁也不知道以后事情会如何发展。

Mikhail Lukin：我们在这里谈论的不仅仅是下一代互联网，而是具有根本性的新能力的互联网。除了安全通信，应用可能包括具有根本性新可能性的网络量子计算机。这是一个拐点，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。过去的类比包括新领域的出现，如电子工程或计算机科学。它们从物理学或数学等学科中出现，都对科学和社会产生了深刻的影响。

哈佛公报：这个联盟建立在哈佛大学几十年来所做的基本工作之上。您能给我们举一些关于这段历史的例子吗？

Mikhail Lukin：如果我们追溯到20世纪50年代和60年代，在理解光的量子特性方面已经做了重要的基础性工作，如何思考它们、如何描述它们，光的量子化意味着什么。这是诺贝尔奖获得者Roy Glauber所做的基础性工作。与此同时，哈佛大学的另一位物理学教授、另一位诺贝尔奖得主Ed Purcell也做了一些真正的基础性工作，涉及辐射与物质的相互作用。这导致了被称为Purcell效应的东西，这实际上是我们用来使单个光子与单个原子发生强烈互动的现象。

大约20年前，另一项突破发生在哈佛大学。与世界各地的几个合作者一起，我们从理论上提出了量子中继器的想法：它是量子互联网的基本构件，可以纠正量子传输中的错误。这包括一个利用存储器建造量子中继器的概念性方法，也包括如何利用金刚石中类似原子的杂质来实际建造量子中继器的具体想法。后来，我们开展了操纵金刚石中单个原子状缺陷的早期工作。很快，我们意识到，为了使这些东西有朝一日能够实用，我们不仅需要基础物理学，而且还需要化学、光子工程、材料科学。这就是我们各个小组之间合作的开始。另一个非常重要的突破发生在Marko的小组，他们开发了一种用金刚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展示的实用量子网络节点至关重要。由此，Marko的团队意识到，最好的方法是尝试用金刚石石制造小型纳米级设备。

因此，这是几十年的工作，从非常基本的事情开始，如了解单原子和单光子之间的基本相互作用，到更实际的问题，即如何制造这些完全未来的设备。二十年前，我们完全无法想象可以用金刚石制造任何设备。

我们现在的情况是几种奇迹的结果，有些是小的，有些是大的。我们现在想做的是真正利用这些构件，开始制造设备，并将它们组合成系统，正如Evelyn所说，这些系统将拥有完全前所未有的能力。

Evelyn Hu：只有通过长远的眼光，对合作做出承诺，以及支撑合作的基本信任，科学的奇迹才会真正体现出来。

参考链接：

[1]https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/09/new-research-alliance-brings-quantum-internet-closer-to-reality/

[2]https://otd.harvard.edu/news/harvard-and-aws-launch-alliance-to-advance-research-in-quantum-science/

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