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寻访 | 亚马逊AWS的量子实验室
“我们正在开发量子网络的技术。它们还没有完全出炉。”AWS量子网络中心的负责人Antia Lamas-Linares公开表示：“有很多这些技术已经在学术实验室中得到了部分证明，但仍需要相当多的开发，以达到我们所说的‘完全成熟的量子网络’。”
那么，这家科技巨头又是如何布局量子技术的呢？
差不多一年前，亚马逊网络服务（AWS）宣布与哈佛大学进行战略合作，测试并开发相关量子网络。
现在，在哈佛大学体育场附近的一栋单层办公楼里，一间没有标签的办公室里有云计算巨头亚马逊的量子网络研究部门。新中心位于布莱顿，以鼓励与哈佛大学的科学家以及该地区越来越多的初创企业合作——包括位于同一大楼的量子计算机开发商QuEra。
该实验室里包括深度制冷设备，其温度可以达到比绝对零度、或零下460华氏度（即所有原子运动停止的点）仅高出几分之一。
这是因为目前仍处于实验阶段的量子计算机和网络需要保持超低温，以便在量子尺度上最好地利用其特性。
量子计算机不是依靠标准计算机芯片中的电子晶体管，而是使用被称为量子比特的原子、亚原子粒子进行计算。这种方法可以使计算机和网络的功能大大增强——至少在原则上如此。但是，这些粒子可能会受到环境中许多因素的影响，从而带来误差。保持量子比特（亚马逊实验室用的是光子）的超低温限制了潜在的干扰。
Mondrik在媒体参观该设施时解释说：“一旦你开始探索这种根本性的量子现象，就必须将其冷却以抑制所有的热噪声来源。”
量子计算机的前景不仅吸引了科技公司，还吸引了金融、制药和其他行业的机构。例如，波士顿投资巨头富达公司与亚马逊合作开展量子项目，并帮助测试了一项名为Braket的亚马逊服务：该服务允许研究人员远程访问各种实验性量子计算机。
虽然亚马逊帕萨迪纳（Pasadena）地区的研究人员和其他公司（如谷歌、微软和IBM），都在试图建立可运行的量子计算机，但布莱顿中心的重点是一个单独的挑战——量子网络。
随着量子计算机越来越可靠，用户可能想要移动量子比特，以便在其他设备上进行计算、存储或其他应用，如发送不可破解的信息。但是长距离移动量子比特（比如说超过100英里）而不丢失其量子数据，在目前的网络中是不可能的。
哈佛大学教授Mikhail Lukin是哈佛大学量子计划的联合主任，他的团队以他们对量子中继器的研究吸引了亚马逊的注意，这种设备可以帮助将量子比特送得更远而不丢失数据。具体来说，他们使用了一种由微观缺陷构成的合成金刚石，并将其冷却到接近绝对零度、通过光缆传输一个量子比特，再将其困在“缺陷”中，同时保留数据。
亚马逊布莱顿中心的目标是使这种突破更接近于现实世界的部署。该中心负责人Antia Lamas-Linares（他位于奥斯汀，正远程监督这项工作）认为，一个有效的量子网络可以用来安全地分发编码数据的加密密钥、传播不可追踪的信息，或将量子计算机连接在一起以创建一个量子超级计算机。不过，这种网络技术要在亚马逊庞大的云计算服务AWS中部署，可能还需要几年时间。
光已经在经典的光纤系统中被用来进行长距离的信息传输。这种方法的问题是，在大约62英里之后系统会开始变得不稳定。这就是光放大器发挥作用的地方：它们可以检测到光线变弱，并在将其送入线路之前将其提升；然而，光放大器和其他用于传递光信号的设备迫使光在1或0之间做出选择，这样就会破坏光子上携带的量子信息。
因此，AWS一直在研究的关键创新之一是一个相当于信号放大器的量子——量子中继器。
为了制造一个量子中继器，亚马逊的科学家们首先需要弄清楚如何制造量子存储器；这样一来，它就可以捕捉到传入的光子，并允许其被处理，然后再将其送上通信链路。这一解决方案就是合成的“量子级”金刚石。
“在金刚石的结构中，有时你会得到‘缺陷’；有时你会得到不透明的金刚石：它们有颜色和色调——这被称为色心，它们是金刚石中的杂质。”Lamas-Linares解释说：“事实证明，这些杂质的行为就像一个人造原子，科学家可以用它们来存储光子的状态。这些有趣的颜色使我们能够与光对接，并存储、操控量子比特的状态。”
使金刚石适合存储光子的方法是首先创造“硅空位”。要做到这一点，研究人员采取尽可能纯的碳的金刚石，并用硅原子轰击碳晶格。这些硅原子将打掉几个碳原子、取代它们的位置，并作为钻石晶格中的一个固定原子，以通过电子与光子量子进行互动。
为了将光子引导到硅原子上的电子，研究人员在硅空位周围建立了纳米腔：它们基本上就像一组镜子，将光引导到需要去的地方。
为了使这一过程发挥作用，研究小组需要阻止金刚石结构的振动；他们通过将其冷却到接近绝对零度来做到这一点。与用于超导量子计算机的、类似吊灯的“稀释制冷机-真空-热屏蔽”组合相同，亚马逊的这个基础设施明显更小（大约一半大小），而且尾部的附件完全不同。
“这就是硅空位的地方，这个金刚石存储器就住在这里。”Mondrik说：“为了使硅空位作为量子存储器、作为量子比特发挥作用，我们需要把它们放在一个强大的可调谐磁场中。”因此，在吊灯的底部有额外的结构，允许在外面的热防护罩被装上之前连接一个超导磁铁。
还有一个压电堆，可以帮助研究人员操纵东西；一条微波线，帮助他们操纵量子比特；一条光纤，将光传入金刚石腔；以及一个显微镜成像系统，从吊灯的底部延伸到顶部，让研究人员看到他们正在做什么。
但并非所有的科学都是在稀释制冷机中完成的。实验室周围还有一些室温工作区，研究人员可以在那里制作、测量和鉴定量子比特。
在目前的形式下，所有不同的组件聚集在一起的装置似乎是一个由电线、金属和镜片组成的复杂组件。但最终，该团队希望将这项技术压缩成一个单一的、可适应的硬件，进而可以将其拖放到任何类型的量子计算设备上。
亚马逊建立容错量子的努力基于位于加州帕萨迪纳的AWS量子计算中心，并与加州理工学院联合运行：亚马逊在2019年启动了这项计划，在2021年在加州理工学院的校园内开设了这栋建筑。
亚马逊表示，“这是一个最先进的研究设施，我们正在进行研究，以建立一个纠错的、容错的计算机。”
AWS已经确定采用基于半导体的超导量子比特技术，并引用了半导体制造技术和可扩展性方面的深厚行业知识。当然，挑战在于实现容错。今天的NISQ系统噪音大、容易出错，而且需要接近零的开尔文温度。AWS认为，“仍然有很多科学挑战，有很多工程要做。”
“我们坚信在这个阶段有两件事需要做。一件是在物理层面上提高错误率并投资于材料科学，以真正从根本上了解如何建造在错误率方面有改进的部件；第二点是开发新的量子比特架构，以保护量子比特不出错。”
“加州理工的这个设施包括这一切。我们正在做完整的堆栈：从软件到架构，再到量子比特和布线，我们都在自己建造。这些都是长期投资。”
总的来说，AWS在促进其量子计算机建设的努力方面一直相对安静；但绝非静止不动。它在Braket上大力拥抱竞争性的量子比特技术、正在跟踪一些著名的量子研究人员；另外，也还大力投资了自己的量子网络革新战略。
参考链接：[1]https://news.harvard.edu/gazette/story/2020/04/researchers-demonstrate-the-missing-link-for-a-quantum-internet/[2]https://www.bostonglobe.com/2023/06/29/business/why-is-amazon-super-chilling-quantum-particles-brighton/[3]https://www.popsci.com/technology/aws-quantum-memory/[4]https://www.techtarget.com/searchdatabackup/news/366543239/AWS-sees-role-for-quantum-in-data-protection-but-not-for-years[5]https://www.hpcwire.com/2022/08/30/aws-takes-the-short-and-long-view-of-quantum-computing/