特朗普押注数百万为美国量子互联网奠定基础

2020-06-25 22:20:44

#特朗普#1960年代,美国政府资助了一系列实验,开发了将信息从一台计算机传送到另一台计算机的技术。单个实验室中的设备萌芽了连接,然后相邻的实验室建立了连接。不久,网络在全国各地的研究机构之间蓬勃发展,奠定了后来成为互联网的根源,并永远改变了人们使用信息的方式。60年后的现在,美国的目标是再次这样做。

特朗普政府的2021预算申请提出了整体资金的近10%用于科研,提升消费对量子信息科学的约20%,至2.37亿美元。美国能源部已要求其中的2500万美元用于加速量子互联网的发展。这样的网络将利用自然粒子的违反直觉的行为以全新的方式操纵和共享信息,并有可能重塑包括网络安全和材料科学在内的领域。

尽管通用的传统互联网已无处可寻,但量子网络将为某些应用提供决定性的优势:研究人员可以通过模拟联网量子计算机,金融机构和政府的原子行为,将其用于开发药物和材料,将从更高级别的网络安全中受益。许多国家/地区正在推行量子研究计划,根据2021年的预算提案,特朗普政府试图加大这一努力。

量子互联网将像传统互联网一样并且将继续发展。专家说,中国已经在某些城市之间实现了量子加密的早期应用,但跨越整个国家的完整量子网络将需要数十年的时间。要构建它,将需要从头开始重新设计路由器,硬盘驱动器和计算机的等效产品-目前已经在进行基础工作。

当现代互联网以经典计算机(现在包括智能手机,平板电脑,扬声器和恒温器的类别)之间的比特流进行流量传输时,量子互联网将携带根本不同的信息单元,即量子比特。

量子比特完全代表了另一种语言,一种基于原子,电子和其他粒子的行为的语言,这些物体受量子力学的怪异规则支配。这些对象比经典计算中僵硬的对象拥有更流畅,更不确定的生活。例如,硬盘磁铁必须始终指向上方或下方,但是在测量之前,电子的方向是未知的。更准确地说,电子的行为方式在于,描述电子的取向需要一个更复杂的概念(称为叠加),而不仅仅是“上”或“下”的简单标记。

量子粒子也可以通过一种称为纠缠的关系被束缚在一起,例如当两个光子(光粒子)从同一源发出光时。成对的纠缠颗粒具有类似于硬币两个面之间关系的紧密结合-当一个面显示正面时,另一面显示背面。但是,与硬币不同,纠缠的粒子可以彼此远离并保持它们的连接。

量子信息科学将这些现象和其他现象结合在一起,有望提供一种新颖,丰富的信息处理方式-类似于从2-D图形转换为3-D图形,或者学会用小数而不是整数进行计算。例如,能用自然语言表达的量子设备可以增强科学家通过模拟新的原子结构来设计材料和药物的能力,而无需在实验室中测试其性能。纠缠是被外部篡改破坏的精密链接,可以确保设备之间的连接保持私密性。

但是,这样的奇迹仍然存在数年至数十年之久。叠加和纠缠都是易碎的状态,最容易在严酷的温度下保持在与外界混乱完全隔离的机器中。随着量子计算机科学家寻找扩展对更多细小颗粒的控制的方法,量子互联网研究人员正在开发将这些颗粒集合链接在一起所需的技术。

与1960年代一样,美国能源部再次在其国家实验室播种种子,以建立未来的网络。在芝加哥西部郊区下方,有52英里长的光纤从Argonne国家实验室延伸出两个环路。今年年初,Awschalom监督了该系统的首次成功实验。他说:“我们创造了纠缠的光态,并试图将其用作测试纠缠在伊利诺伊州收费公路下在现实世界中(而不是在实验室中)工作方式的工具。”

每天的温度波动会导致电线收缩数十英尺,例如,需要仔细调整脉冲时序以进行补偿。今年夏天,该团队计划扩展与另一个节点的网络,将邻近的费米国家加速器实验室带入量子折叠。

东海岸也在进行类似的实验,研究人员通过光纤电缆将纠缠的光子发送到纽约布鲁克海文国家实验室与斯托尼布鲁克大学之间,。Brookhaven科学家还正在测试纠缠光子在空中相似距离内的无线传输。Brookhaven计算科学计划负责人Kerstin Kleese van Dam认为,尽管这项技术要求天气晴朗,但它有一天可能会补充光纤网络。她说:“我们只是想保持我们的选择开放。”

纠缠光子的这种发送和接收相当于量子路由器,但是接下来的研究人员需要量子硬盘驱动器-一种保存他们交换的信息的方法。克莱斯·范·达姆说:“我们正在做的事情正在风口浪尖,纠缠了数英里。”

当光子从网络中携带信息时,量子存储器将以纠缠原子的形式存储那些量子比特,就像当前的硬盘驱动器使用翻转磁铁来保持比特一样。Awschalom期望Argonne和芝加哥大学的小组在今年夏天拥有有效的量子记忆,大约在他们将网络扩展到Fermilab的同时,届时它将跨越100英里。

但这大约是光可以传播的最大距离,在扩大网络规模之前,研究人员将需要发明一种量子中继器-一种可在另一100英里路程内增强萎缩信号的设备。经典的互联网中继器只是复制信息并发出新的光脉冲,但是此过程打破了纠缠(使量子通信免受窃听者窃听的功能)。Awschalom说,取而代之的是,研究人员提出了一种方案,可以通过将量子信号改组为其他形式而无需直接读取它来放大量子信号。他说:“我们目前正在运行一些原型量子中继器。它们还不够好,但我们学到了很多东西。”

从某种意义上说,美国在量子网络方面落后于其他国家。例如,中国已经完成了一条连接北京和上海的1200英里的骨干网,银行和其他公司已经在使用该骨干网进行几乎完全安全的加密。但是,功能齐全的量子互联网的竞赛比马拉松更像马拉松比赛,而中国仅走过了第一个里程碑。Kleese van Dam指出,在没有量子中继器的情况下,该网络依赖于几十个“受信任”节点,而量子比特则被逐过基于位的瓶颈。她坚持要求真正安全的端到端通信。她说:“我们计划做的事情远远超出了中国正在做的事情。”

研究人员最终构想了一个由计算机,存储器和中继器组成的整个量子生态系统,它们都用相同的叠加和纠缠语言说话,几乎看不到。

在坚不可摧的加密等直接应用之后,他推测这种网络也可能导致地震传感器能够记录原子级行星的振动,但他说最大的后果可能是没人能想到。他将这一领域的现状与电气工程师开发第一批晶体管并最初用于改善助听器的情况进行了比较,完全没有意识到他们正在确定一条有朝一日会带来社交媒体和视频会议的道路。