寻访 | 美国「阿贡国家实验室」的量子布局

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前言：为了普及科学技术知识、传播科学思想，光子盒特开启「寻访」专栏，带领各位读者探访全球的量子工厂和实验室。

量子力学具有彻底改变计算、通信和传感的潜力。阿贡国家实验室正在引领这条道路。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室正在量子信息科学(QIS)方面取得令人兴奋的进展。量子信息科学探索了微小粒子如何以新的方式感知和传递信息。这项研究可能会产生一种能够进行以前不可能的计算的量子计算机，或者一种用于传输数据的特别安全的网络。

最近的里程碑是在微观范围内进行的：跨越几秒钟的空间或跨越单层的原子。尽管它们都以微不足道的增量来衡量，但每项进展都有助于以新的方式、利用量子力学进行计算、通信和传感。

阿贡物理科学与工程理事会的高级顾问、芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授Supratik Guha表示：“直到最近，量子信息研究大多是关于科学的。现在，特别是在过去的十年里，人们对将科学转化为技术的兴趣越来越大。” 

阿贡是量子技术研究的中心，其开创性工作可以追溯到20世纪80年代阿贡荣誉科学家Paul Benioff对量子计算机的突破性理论建议——1979 年，贝尼奥夫提交了一份开创性的出版物，表明量子计算机在理论上是可行的。今天，阿贡的量子研究正继续通过量子信息科学(QIS)研究和它对Q-NEXT的领导进行。

在量子世界中，信息可以通过一个电子（原子中带有负电荷的部分）或一个光的粒子来传递，储存和操纵这种粒子的能力需要开发可以在亚原子水平上控制的材料。阿贡的科学家们已经组装了一种基于铜和一氧化碳分子的材料来模仿石墨烯——这是一种有希望但很难制造的量子数据主机。
这种新型的量子试验台证实了对石墨烯中电子行为的预测。“一个实验系统与理论预测如此完美地吻合，这是非常罕见的。”曾参与过这场实验的科学家Dan Trainer表示，为了组装和研究这种材料，Trainer及其同事在阿贡的纳米材料中心使用了一台扫描隧道显微镜。

阿贡纳米材料中心的量子物质和设备实验室的能力有助于开发量子材料和设备；图片来源：阿贡国家实验室
研究人员还在其他可用于量子应用的材料方面取得了重要进展。2022年2月，阿贡和芝加哥大学的一个团队用容易获得、价格低廉的化合物碳化硅(SiC)创造了一个破纪录的量子比特。量子位可能很难被有效地读取，而且它们的信号是众所周知的转瞬即逝、持续时间在几毫秒左右；而该量子比特能够被按需读取，其量子状态保持了五秒钟以上。

该破纪录的量子比特是用碳化硅制成的芯片创造的，碳化硅是一种廉价和常用的材料。图片来源：David Awschalom（芝加哥大学）
在另一项研究中，阿贡研究人员还展示了使用纯金刚石膜作为存储和处理量子信息的平台。金刚石概念是更广泛的研究的一部分，旨在利用晶体中的缺陷运行量子系统。金刚石膜属于一组材料，即固态自旋量子比特，2022年5月，该研究在《自然评论材料》杂志特刊中被列为封面文章。

量子计算机和相关技术依赖于对原子及其成分的行为方式的基本理解，以及如何调整它们以表示量子系统中的数据。计算机模拟可以以实验无法比拟的方式，揭示量子物体的动态。在一项研究中，研究人员展示了晶体材料中被称为“空位”的缺失原子是如何被转化为量子信息的。
模拟原子结构内部的变化
对此，芝加哥大学普利兹克分子工程学院、参与该项目的博士后研究员Elizabeth Lee表示，“通过用高性能计算机进行原子尺度的计算机模拟，我们可以观察‘缺陷’在不同温度下随着时间的推移而形成、移动、消失和旋转。这是目前在实验中无法做到的事情。”
在另一项研究中，阿贡的研究人员使用量子计算机来模拟量子材料。这项研究解决了量子计算机上的“含噪音”计算问题，即硬件的干扰导致计算机对同一操作返回的结果略有不同。通过模拟量子计算系统中不同的量子比特状态，研究人员得出了一个拟议的方法，可以提高计算的准确性。
这两项研究都部分借鉴了美国能源部阿贡国家实验室提供的设备资源。

目前，阿贡实验室召集了一些世界上最重要的量子信息系统专家，通过合作开展各种活动（如研讨会、本科生奖学金等），正在促进这一新兴领域的关键合作。

其中，最关键的是 Q-NEXT：它已经吸引了来自工业界和学术界的20多个合作伙伴，最近的是亚马逊网络服务、麻省理工学院和摩根大通。

在Q-NEXT最近的一份报告——《量子互连路线图》列出了未来的必要工作，以开发在系统之间和跨距离分配量子信息的技术，从而实现量子计算、通信和传感。

Q-NEXT首席技术官Supratik Guha在讨论该路线图时说：“直到最近，量子信息研究主要是关于科学的；现在，特别是在过去的十年里，人们对将科学转化为技术的兴趣越来越大。”

不仅如此，2023年4月19日，阿贡还剪彩正式开放了阿贡量子铸造厂(Argonne Quantum Foundry)：这是一个为量子设备创造和提供高质量材料的全国性工厂，主要开发、测试和制造半导体量子比特，将成为美国中西部地区独一无二的存在。它也是将支持Q-NEXT研究的两个国家代工厂之一（位于美国能源部SLAC国家加速器实验室的第二个晶圆厂即将建成）。

4月19日，阿贡在一个剪彩庆典上标志着量子铸造厂正式开业。上排左起：波音公司负责颠覆性计算和网络的首席科学家Jay Lowell、能源部科学办公室副经理Rock Aker、阿贡科学家F. Joseph Heremans。下排左起：阿贡主任Paul Kearns、能源部科学办公室负责先进科学计算研究的代理副主任Ceren Susut-Bennett、Q-next主任和阿贡高级科学家David Awschalom。

对于这一发展战略，Q-NEXT主任David Awschalom说：“这些铸造厂将不仅对研究产生积极影响，而且对量子生态系统产生积极影响，提供一个强大的材料供应链——工业界和其他美国利益相关者将从中受益。”Awschalom也是阿贡高级科学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授和负责研究和基础设施的副院长，以及芝加哥量子交易所主任。“我们期望，作为中西部地区的一个独特设施，阿贡量子铸造厂将加速该地区和国家在量子信息科学方面的进展。”

关于阿贡国家实验室

阿贡国家实验室为国家在科学和技术方面的紧迫问题寻求解决方案。作为美国的第一个国家实验室，阿贡在几乎所有的科学学科中都进行着前沿的基础和应用科学研究。阿贡的研究人员与来自数百家公司、大学、联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，帮助他们解决具体问题，推动美国的科学领导地位，并为国家的美好未来做好准备。阿贡拥有来自60多个国家的员工，由芝加哥大学阿贡有限责任公司为美国能源部科学办公室管理。

参考链接：

[1]https://www.anl.gov/article/argonne-quantum-research-may-reshape-how-we-sense-and-relay-data

[2]https://www.anl.gov/75th-anniversary/then-and-now

[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/986857

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