下一个伟大的科学和技术革命：量子信息科学
伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校准备在国家QIS研发工作中发挥领导作用
Siv Schwink
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跨物理，工程和计算机科学合作的研究人员表明，量子力学（最成功的物理学理论之一）在从电子，原子到原子到中子恒星到大爆炸，都可以解释自然，这是一个强大的用于信息处理，数据存储和安全通信的平台。量子信息科学（QIS）已成为一个快速发展且令人兴奋的多学科领域，对当今技术的广泛惊人进步产生了影响。全球QIS研究工作的最新激增是指向下一次伟大的科学和技术革命。
研究机构和科技行业的科学家和工程师正在对即将发生的事情施加大量赌注。2016年，中国推出了Micius的“量子卫星”，到2018年，在太空中成功运行了量子通信实验，这是迈向最终创建全球量子通信网络的重要第一步。2018年，以色列分配了8000万美元用于开发量子计算技术，在美国，每个主要的研究资助机构都启动了特殊计划来支持QIS。By the end of the year, the U.S. National Quantum Initiative Act had passed both the House and the Senate and was signed into law by President Donald Trump on December 21, 2018. This legislation, intended to secure the U.S.’s leadership in QIS, commits $1.2 billion in funding over a five-year period toward the development of QIS technologies and the training of a QIS-smart workforce.
可能需要几年的时间才能在线进行大规模计算的第一个量子处理器。关于如何在拟议的新技术中最佳地纳入量子力学的奇妙，完全不直觉的特性，仍然存在许多基本问题。但是很明显，量子革命即将到来，带来了我们甚至无法想象的进步。毕竟，在1960年代发明了第一个激光之前，谁可能梦想着今天无处不在的放大光应用？激光器用于杂货店扫描仪，CD和DVD播放器，激光打印机，手术工具，医学和科学光谱，枪支和弹药的目标，交通执法，Internet Fibertics等。可以公平地说，量子技术同样在商店里带来了惊喜。
新的多学科中心加速QIS研究
由于已经进行了与QIS相关的研究的多个部门的教职员工，伊利诺伊大学Urbana-Champaign大学处于有助于领导即将来临的革命的良好位置。2018年10月29日，我宣布将投资1500万美元建立一个新的研究中心，该研究中心将借鉴并扩大伊利诺伊州在QIS的专业知识。伊利诺伊州量子信息科学技术中心（IQuist）将汇集伊利诺伊州工程部门和校园其他部门的量子科学专家。
Iquist的新任命的导演Paul Kwiat是QIS研究的先驱，尤其是他的开创性量子通信实验，使用纠缠和超牢房的光子来闻名。Kwiat说，新中心正是加速I. QIS技术和QIS教育的进步所需的。
Kwiat说：“为了快速进步，我们需要广泛的科学家和工程师来融合和学习彼此的语言，以便我们可以在不同的研究范式中有效地合作。”“我们需要计算机科学家，材料工程师，电气工程师以及其他对使用量子力学独特，强大的功能开发技术的浓厚兴趣的人。每个学科都有自己的方法，可以解决问题，自己的方法和工具以及自己的优势。Iquist将使伊利诺伊州的QIS研究人员能够在学科中进行合作，以更好地利用这些优势，更严格地探索有前途的新想法，并立即从彼此的工作中受益。”
物理教授戴尔·范·哈林根（Dale Van Harlingen）和布莱恩·德马科（Brian DeMarco）分别被任命为伊奎斯特（Iquist）的新任执行副主任兼教育计划副主任。范·哈林根（Van Harlingen）具有超导性及其在量子技术中的潜在应用方面的专业知识，而德马科（Demarco）在被困的离子实验中带来了专业知识，它们将用于开发Iquist计划的量子处理器测试。
Demarco断言：“伊利诺伊州有望对QIS研究产生强烈影响，包括算法开发，创建诸如量子中继器和沟通渠道之类的关键技术，以及对下一代Qubits [量子位]所需材料的研究。”
该中心还将制定一项重点计划，以教育下一代量子劳动力。DeMarco, who also serves as Illinois Physics’ associate head for undergraduate programs, comments, “Illinois Physics is one of the largest and top-ranked physics departments in the U.S., and we are working to solve the quantum workforce challenge by developing new undergraduate and master’s degree programs in QIS.”
在《 I的新闻稿》一书中，总理琼斯总理评论说：“我们的校园对基础科学的开创性贡献以及在过去的世纪中塑造了社会的技术的开发，包括第一台自动计算机，磁性谐振成像，光线，光- 发出二极管，也是第一个现代互联网浏览器，更不用说第一台由教育机构构建和拥有的计算机。今天，我们很高兴地宣布近期具体的行动，这些行动将促进国家需求和重要性的关键领域。”
这三个主要组织者没有浪费时间使中心成为现实。到日历年末，他们在弗雷德里克·塞兹（Frederick Seitz）材料研究实验室和研究空间中获得了工程科学大楼地下室的行政办公室，以开发量子处理器测试台。预计测试台将涉及被困的离子Qubits，常规和拓扑超导量子A，以及可能的半导体 - 缺陷状态吨位，并带有光子互连将其耦合。Iquist将为制造量子材料和设备的最新设备，包括电子束作者，薄膜生长和加工设备，干稀释冰箱和微波电子产品。
三个关键的Iquist组织者也已经概述了新中心的行政结构和治理；将其由物理学部（17），电气和计算机工程（3），计算机科学（2），机械工程（1）和数学（1）的I型I学者组成的首届会员资格（1）；组成了由八个成员组成的伊奎斯特科学咨询委员会；并邀请了13名工程学院的I研究人员加入IQuist作为分支机构，其中包括伊利诺伊州物理学的六名。新利足球18新利在线娱乐官网
2018年1月21日，将在Martin Luther King Jr. Day上为成员和会员进行IQuist Retreat，并在Champaign的I-Hotel和会议中心举行。议程包括讨论中心未来计划以及研究和资助机会的机会。
与新中心一起，该大学授权了至少八个QIS教职员工。填补这些职位的搜索已经在物理，电气和计算机工程以及计算机科学的部门内。
范·哈林根（Van Harlingen）指出：“我们预计，随着我们聘请新的教职员工的成员和分支机构的数量，随着越来越多的教职员工开始项目并获得QIS的资金。我们还期望立即雇用博士后和/或技术人员，用于设计和工程测试台，并用于高级薄膜和设备制造。我们还将很快聘请董事总经理，以处理该中心的日常行政运营。”
除了由QIS的学术，国家实验室和工业领导者组成的IQuist外部咨询委员会外，还计划建立一个由工程学院的部门负责人和实验室主任组成的内部IQuist执行咨询委员会。Iquist任务的一部分将是促进和扩大与行业，国家实验室和其他学术机构的合作，例如芝加哥大学，Argonne National Laboratory和Fermilab。作为Discovery Partners研究所伊利诺伊州创新网络的参与者，Iquist将通过高科技劳动力和下一代技术开发为加强伊利诺伊州的经济做出贡献。
新的QIS合作伙伴关系
2018年10月30日，伊利诺伊大学Urbana-Champaign宣布已加入芝加哥量子交易所（CQE），成为其最终核心成员，使其成为世界上最大的QIS合作之一。CQE于去年成立为芝加哥大学与位于伊利诺伊州的两个国家实验室Argonne和Fermilab之间的联盟。范·哈林根（Van Harlingen）担任CQE指导委员会I代表的U代表，该委员会的四个核心机构中的每个机构都有一名成员。
范·哈林根（Van Harlingen）评论说：“ CQE是一项合作，旨在将学术，国家实验室和工业机构聚集在一起，以利用芝加哥在QIS中的知名度和机会。CQE将首先专注于通过国家量子倡议来吸引资金，该计划已经开始。还将有协作项目，教育计划以及工业伙伴关系和实习。最终，我们希望有研究实验室，办公空间和教职员工，博士后和位于芝加哥的学生。”
根据I 10月30日的新闻稿，该计划是Uchicago和Urbana校园之间一系列合作的一系列合作的重要一步，加深了他们在Discovery Partners Institute和Illinois Innovation Network中的联系。
CQE已经有多个项目正在进行中，包括开发世界上最长的量子通信链接与测试技术的计划之一，这一天可能是不可接受的网络和分布式量子传感器的基础。它将在Lemont的Argonne和Batavia的Fermilab之间延伸30英里，并有了与I Urbana校园连接的新链接。
18新利在线娱乐官网新利足球伊利诺伊州物理学在QIS峰会和国会简报中代表
201818新利在线娱乐官网新利足球年9月24日，邀请两名伊利诺伊州物理教师参加在华盛顿特区白宫举行的QIS峰会的前进领导。物理学教授埃德·塞德尔（Ed Seidel）。Seidel是Urbana国家超级计算应用中心的前主任。在此之前，他曾担任国家科学技术委员会的量子信息科学小组委员会的联席主席，同时他领导了国家科学基金会的数学和物理科学局。峰会上的顶级科学家和美国官员协调了整个美国的QIS研究和基础设施发展的长期竞争方法，并在私人和公共努力之间进行了强有力的合作。
18新利在线娱乐官网新利足球伊利诺伊州物理学还参加了2018年11月8日至9日举行的首届芝加哥量子峰会的首届芝加哥量子峰会，由CQE主持。在峰会上代表i的U的是Demarco，Kwiat和Van Harlingen。范·哈林根（Van Harlingen）担任小组成员。
这次峰会汇集了量子信息科学领域的主要专家，相关政府机构的代表以及技术行业领导人，以推动美国在QIS的努力，并将伊利诺伊州的努力定位在该竞赛的最前沿。
德马科（Demarco）在一月份返回华盛顿特区进行了两次国会简报，这是伊利诺伊州代表团的一部分，其中包括来自乌奇加哥，西北部，费米拉布和阿根恩的代表。
“We met with House and Senate staffers in two separate one-hour meetings to educate their respective congressional members about QIS—what’s exciting, where opportunities lie, and what strengths the State of Illinois brings—so they can appreciate and advocate for our QIS programs,” states DeMarco.
将炒作与重要的科学和技术努力分开
媒体对深奥的QIS研究及其对未来技术的影响将不可避免地导致一些误解。那么，我们将使用量子计算机来做什么？
DeMarco解释说：“许多人类生活中心的活动的未来，包括运输，医学和制造业，将通过在下一世纪的计算，网络和感知方面的改进来改变。但是，基于常规技术的计算机，网络和设备在解决我们将面临的一些最重要问题的能力上固有地限制了它们。
“量子计算机和网络将利用量子力学的物理学来解决这些问题的范围要比任何未来的超级计算机大得多。例如，一台大规模量子计算机可以确定化学键的特性，即新药对复合物的关键，比任何超级计算机都能处理的要大。除了医学外，这也可能是优化碳管理的人工光合作用的途径，这可能是防止气候变化灾难的核心。”
但是，量子计算机有一天会完全取代古典计算机吗？根据Kwiat的说法，考虑到量子力学定律，这不太可能。
Kwiat解释说：“大多数人在古典计算机上做的大多数事情 - 观看猫视频，计算某件事或向某人写电子邮件并给其他人写电子邮件 - 涉及复制信息。您可以复制经典信息，但是您无法复制量子信息，这就是使量子加密扫描安全的原因。
“对于某些编码错误，经典计算机也更加健壮，在量子计算机中实现相同的计算机也非常昂贵。由于经典计算机可以进行错误校正的方式，因此零件不需要那么好。接近1的任何位称为1，任何接近0的位都称为0。因此，如果数据中有一点波动，则自我纠正。但是在量子计算中，所有这些波动都是完全不同的量子状态，因此这些微小的波动将成为很大的错误。贵族是非二进制的 - 它可以在无限的状态下托管，这就是使其如此强大的原因。”
量子计算机比古典计算机做得更好？研究人员已经证明，他们可以使用量子模拟器来解决量子力学问题并模拟分子问题。在伊利18新利在线娱乐官网新利足球诺伊州物理学中，成长的原子，分子和光学物理学家的团队就是这样做的。
KWIAT指出：“量子力学问题包括弄清楚蛋白质如何折叠或药物如何工作，或者如何设计更好的生物降解化学肥料以获得最大作物产量。这些结果将在世界范围内产生巨大影响。量子计算机在优化问题方面也比古典计算机更好 - 它们可以立即和更高效率地使无数流程（包括互联网服务）变得更快，更高。
“另一方面，至少目前，量子计算不像经典计算无法使用的情况是建模和预测天气，这比我们目前具有量子量的能力要多。目前，当有一个正确的答案时，量子计算机是好的。”
也就是说，kwiat说，不可能预测量子技术的所有可能未来应用，我们应该期望意外。
“Take for example the idea of a quantum network, which would have several potential applications, not only for encrypted communications,” Kwiat notes, “It’s been proposed that we could someday use a quantum network as a telescope, with each node acting as an eye on the sky. The combined effect would be a telescope equivalent to the size of the Earth. With that kind of resolution and magnification, we could see things in deep space far surpassing what we ever believed possible before.”
DeMarco和Kwiat各自参与了将QIS研究带入太空的单独的NASA任务。DeMarco主持NASA基本物理科学审查委员会，该委员会对最近发射的冷原子实验室（CAL）负有监督责任。CAL科学家目前正在国际空间站的微重力条件下进行超低原子实验，以更多地了解有关物质在接近零温度下的基本属性和相互作用。
Kwiat是NASA任务的主要研究人员，涉及MIT Lincoln Laboratories，Jet推进实验室和Oak Ridge National Laboratory的研究人员，以开发高级基于空间的量子通信能力。最初的目标是在国际空间站和地球之间传输纠缠和超牢固的光子，这可能使无法进行的通信和最终的长距离量子网络。