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芝加哥量子交易所朝着未来迈出了第一步,这可能会彻底改变计算和医学

已有 2365 次阅读 2022-6-28 21:22 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

芝加哥量子交易所朝着未来迈出了第一步,这可能会彻底改变计算和医学

诸平 

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Credit: CC0 Public Domain

https://phys.org/news/2022-06-chicago-quantum-exchange-future-revolutionize.html

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芝加哥200公里量子网络路线和节点

据物理学家组织网(phys.org2022622日报道,芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)朝着未来迈出了第一步,这可能会使计算和医学发生革命性的巨变(Chicago Quantum Exchange takes first steps toward a future that could revolutionize computing and medicine)。

一项革命性的新技术正在美国芝加哥地下的光纤网络中闪现。

研究人员创建了世界上最大的量子信息(quantum information)共享网络之一,这是一个依赖于奇怪悖论的科学领域,以至于阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)都不相信这些悖论。

该网络将芝加哥大学(University of Chicago)和位于莱蒙特的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory in Lemont)连接起来,是科学家们希望有朝一日成为未来互联网的雏形。目前,它已向企业和研究人员开放,以测试量子信息共享的基本原理。

该网络6月中旬由芝加哥量子交易所宣布,该交易所还包括费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)、西北大学(Northwestern University)、伊利诺伊大学(University of Illinois)以及威斯康辛大学(University of Wisconsin)。

近年来,联邦政府投资了5亿美元($500 million),该州投资了2亿美元($200 million),芝加哥(Chicago)、厄巴纳-尚佩恩(Urbana-Champaign)和麦迪逊(Madison)成为量子信息研究的领先地区。

为什么这对普通人来说很重要?因为量子信息有潜力帮助破解目前无法解决的问题,既威胁又保护私人信息,并导致在农业、医学和气候变化方面的突破。

经典计算使用的是包含10的信息比特(bits of information),量子比特(quantum bits, or qubits)就像扔在空中的硬币,它们同时包含10,一旦被观察到就可以确定。

同时处于两种或两种以上状态的特性,被称为叠加(superposition),是量子力学中许多悖论之一即粒子在原子和亚原子水平上的行为。这也是一个潜在的关键优势,因为它可以处理指数级更复杂的问题。

另一个关键方面是纠缠(entanglement)的特性,在这种特性中,相隔很远的量子位(qubits)仍然可以相互关联,因此在一个地方的测量结果可以揭示远处的测量结果。

与东芝公司(Toshiba)合作创建的新扩展的芝加哥网络,分发被称为光子(photons)的光的粒子。试图拦截光子会破坏它们和它们所包含的信息,这使得黑客更难入侵。

芝加哥量子交易所主任、芝加哥大学教授大卫·奥斯沙隆(David Awschalom)说,新网络允许研究人员“推动目前可能的边界”。然而,在大规模量子计算和网络成为可能之前,研究人员必须解决许多实际问题。

例如,阿贡(Argonne)的研究人员正在创建一个“铸造厂(foundry)”,在那里可以锻造可靠的量子比特。其中一个例子是带有小口袋的金刚石膜,用来保存和处理量子比特信息。阿贡的研究人员还通过冻结氖(neon, Ne)来固定单个电子,创造了一个量子比特。

因为量子现象对任何干扰都极其敏感,它们也可能被用作医疗或其他应用的微型传感器,但它们也必须制造得更耐用。

量子网络于2020年在阿贡启动,但现在已扩展到海德公园(Hyde Park),并向企业和研究人员开放,用于测试新的通信设备(communication devices)、安全协议(security protocols)和算法(algorithms)。任何依赖安全信息的企业,比如银行的财务记录和医院的医疗记录,都有可能使用这种系统。

量子计算机虽然正在开发中,但有朝一日可能能够执行比现有计算机更复杂的计算,比如折叠蛋白质(folding proteins),这可能有助于开发治疗阿尔茨海默病(Alzheimer's)等疾病的药物。

除了推动研究,量子领域还刺激了该地区的经济发展。20221月,硬件公司EeroQ宣布将把总部迁往芝加哥。另一家本地软件公司Super.tech最近被收购,还有几家公司正在该地区初创。

由于量子计算可以被用来侵入传统的加密系统,它也吸引了美国两党联邦议员的注意。2018年,唐纳德·特朗普(Donald Trump)总统签署了《国家量子倡议法案》(The National Quantum Initiative Act),以加快国家安全为目的的量子发展。

20225月,乔·拜登(Joe Biden)总统指示联邦机构在其最关键的国防和情报系统上转向量子抗加密技术(quantum-resistant cryptography)。

具有讽刺意味的是,基本的数学问题,如5+5=10,通过量子计算(quantum computing)有些困难。量子信息(Quantum information)可能会用于高端应用,而经典计算可能会继续在许多日常使用中实用。

著名物理学家爱因斯坦曾嘲笑量子力学的悖论和不确定性,他说上帝不会和宇宙“掷骰子”。

但从核能到核磁共振成像(MRIs),量子理论的应用已经被证明是正确的。

阿贡的资深科学家斯蒂芬·格雷(Stephen Gray)致力于研究在量子计算机上运行的算法,他说,量子工作非常困难,没有人完全理解它。

但在过去30年里,该领域取得了重大进展,导致了一些科学家戏称为“量子2.0(Quantum 2.0)的出现,预计在未来10年将取得实际进展。

斯蒂芬·格雷说:“我们相信,在未来5~10年内,量子计算(相对于传统计算)将具有真正的优势。我们还没有到那一步。一些反对者挥舞着他们的拐杖,说这永远不会发生。但是我们是积极的。”

伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的物理学教授、芝加哥量子交易所(Chicago quantum Exchange)的布莱恩·德马科(Brian DeMarco)说,就像早期对传统计算机的研究最终导致了手机的出现一样,很难预测量子研究将走向何方。他说:“这就是为什么这是一个令人兴奋的时刻,最重要的应用还有待发现。”

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Quantum computer programming for dummies




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1 王涛

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