寻访 | 美国橡树岭国家实验室的量子科学中心

2024年5月，美国能源部橡树岭国家实验室的能源部国家量子信息科学研究中心（QSC）于5月6日至8日举办了全员会议。来自17个机构（包括国家实验室、大学和行业合作伙伴）的150多名科学家、工程师和支持人员参加了会议，审查了QSC的进展，审查了现有的优先事项，并集思广益，开展了新的短期和长期研究工作。

在为期三天的会议中，每天都有一次全体会议，以定下基调并提出指控问题。为了根据需要调整项目目标和里程碑，这些会议之后是分组会议，小组讨论量子材料现象、量子模拟和极端环境中量子传感的重点。

2024年1月16日，美国能源部将资助橡树岭国家实验室（ORNL）的三个量子技术的研究项目。三个项目分别为ORNL与马萨诸塞大学阿默斯特分校等合作的“性能集成量子可扩展互联网”项目，将在三年内获得600万美元的资助；与阿贡实验室等合作的“量子网格研究、集成和部署”项目，以建立一个或多个具有量子功能的电网测试设施，将在三年内获得375万美元的资助；与田纳西大学诺克斯维尔分校等合作的“当前技术下量子实用性评估”项目，开发基准和模型以确定量子计算机是否以及何时能够执行有用的计算，将在四年内获得100万美元的资助。

从原子能到量子科学

“自1943年成立以来，ORNL一直是科学研究的先锋”，实验室网页的历史记录这样显示着。美国橡树岭国家实验室（ORNL）的起源可以追溯到第二次世界大战时期的曼哈顿工程。根据ORNL的历史记录，1943年2月，克林顿实验室在田纳西州诺克斯维尔以西30公里处的克林顿小镇破土动工，之后改名为橡树岭国家实验室（ORNL）。随着时间的发展，ORNL的研究领域扩展到能源科学、先进材料、生物系统和国家安全等多个方面，成为美国科研实力的重要象征。从曼哈顿计划的核反应堆到今天的量子科学中心，ORNL的历史是不断探索和创新的历史。

图：ORNL科学大事记

自1943年成立以来，橡树岭国家实验室（ORNL）一直是科学研究的先锋。在量子科学这一新兴领域，ORNL继续发挥着其深厚的科研底蕴，通过基础科学研究为量子计算、量子通信和量子传感等领域的发展提供坚实的理论基础。这些研究不仅包括对量子物理基本现象的探索，还涉及新材料和新器件的开发，为量子技术的实现和应用奠定了基础。

ORNL的基础科学研究专注于量子物理基本现象的探索，这些研究不仅增进了我们对量子世界的理解，而且为新材料和新器件的开发奠定了基础。量子科学中心（QSC）的成立，标志着ORNL在系统整合与技术转让方面的进一步深化，旨在建立可扩展且一致的量子信息系统的协同设计方法。

量子科学中心-塑造未来的量子世界

早在2020年8月，美国斥资6.25亿美元建立了五个量子信息科学中心，其中就包括由橡树岭国家实验室领导的量子科学中心（QSC）。

图：量子科学中心年度全体会议全体人员照片

QSC 整合了三个重点领域的研究成果，旨在建立可扩展且一致的量子信息系统的协同设计方法。这种整合推动了每个重点领域具体目标之间的互动，并建立了协同设计反馈回路。工业界对量子模拟和量子传感新技术的“拉动”反过来又推动了这一协同设计过程，并为将这些技术引入市场提供了直接途径。

图：拓扑保护的量子信息协同设计

QSC（Quantum Science Collaboration）通过整合科技创新链的四个关键层级，构建了一个推动量子技术发展的完整生态系统。这一过程从基础科学的探索和理解开始，涉及对基础原理的深入研究，整合人员、资金、设备、信息和知识储备等创新要素，形成强大的科研基础。

图：科学应用的量子模拟共同设计

随后，应用科学领域的科研人员利用这些基础研究成果，开发新的设备和工具，为量子技术提供必要的物质和技术基础，通过自发研究或承接项目，不断发现新知识和新技术。在原型开发阶段，科研人员将理论转化为可操作的原型，并通过首次使用来推动开发和收集反馈，改进解决方案，形成具有市场价值的商品。

图：量子传感在实际应用中的共同设计

最终，这些科研成果和原型被转化为现实世界中的解决方案，加速量子技术的实际应用，并在社会生活等领域产生显著的社会效应。在创新链的最后阶段，QSC通过将解决方案整合到商业系统中，实现技术转让，不仅促进了量子技术的发展，而且通过增强美国经济的竞争力，实现了从基础研究到商业应用的全链条创新，体现了创新链、产业链、资金链和人才链深度融合的理念，推动科技创新转化为现实生产力。

量子计算的新篇章

在量子计算这一前沿领域，ORNL的科学家们正致力于开发能够实现拓扑量子计算的材料和量子算法。借助ORNL的Frontier超级计算机的计算能力，研究人员能够进行更精确的模拟和分析，推动量子科学的进步。

此外，ORNL的研究人员探索使用新型材料来创建更加健壮的量子比特。例如，他们尝试将超导体与拓扑绝缘体耦合，以期设计出具有不同对称排列的晶体薄膜之间的原子尖锐界面，这可能产生奇异的物理现象，并作为优质量子比特的潜力巨大。

2024 年 5月 ORNL和洛斯阿拉莫斯国家实验室以及太平洋西北国家实验室（PNNL）在《欧洲物理学杂志 A》上联合发表的一项新研究中，创建了一种验证核物理应用量子算法的方法。

图：《低能核状态的深度量子回路模拟》

“尽管我们没有能够执行某些计算的量子计算机，但我们可以通过百亿亿次超级计算机上的经典模拟来模拟它们在未来量子平台上的表现，”Ang Li博士说。“这样，当这项技术真正可用时，我们就有准备好在新硬件上测试算法了。”科学家Ang Li博士表示，“从概念上讲，对于低能核物理来说，量子计算可能比传统计算更有效，目前模拟量子电路的方法对内存和处理能力的要求太高，无法在传统计算机上验证这些计算。我们的方法提供了一种更有效的方式来模拟和验证所提出的量子投影算法，这些算法通常会生成极深的电路，供量子计算机使用。”

橡树岭国家实验室（ORNL）在原型开发方面专注于量子模拟和计量算法的创新。这些算法在预测动态量子模拟和量子传感应用中展现出巨大的潜力。通过TISC结构，实验室正在加速量子技术从理论到实践的转变。

ORNL的研究人员不仅在开发理论上的量子算法，更在探索如何将这些算法转化为实际可用的技术。“我们的方法提供了一种更有效的方式来模拟和验证所提出的量子投影算法”，Ang Li博士提到。

值得一提的是，ORNL利用量子计算机探索太阳能电池材料中的复杂相互作用，展示了量子计算技术在模拟太阳能电池材料中单线态裂变（一种光电转换过程）方面的应用。这可能为提高太阳能电池效率提供了新方向。

探索与突破：量子通信与量子网络

光学量子网络方面，ORNL与斯坦福大学和普渡大学的团队共同开发了一种功能齐全的量子局域网络（QLAN）。这种网络的设计目标是使地理上相互隔离的系统能够实时调整共享的信息。他们在ORNL使用通过光纤的纠缠光子实现了这一目标。这个网络展示了专家们如何在实际规模上常规地将量子计算机和传感器连接起来，从而在量子互联网环境下实现这些下一代技术的全部潜力。他们还展示了基于纠缠的量子通信的可扩展性。这种方法使得研究小组可以将三个远程节点连接在一起，这三个节点被称为“Alice”、“Bob”和“Charlie”，它们分别位于ORNL的三座独立建筑中的三个不同的研究实验室中。

在量子通信领域，ORNL与洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）进行了合作。他们在城市变电站中安置了可信节点，实现了电网中三个量子密钥分发（QKD）系统的中继。这一技术的成功应用，对于延长量子通信距离，提高量子通信的实用性具有重要意义。他们再把当地社区公用事业和电信公司EPB的一片光纤网络隔离起来，用作测试专线，实现了三个系统的真实中继。这些“可信节点”虽然不是量子中继器，安全性不能得到量子力学理论的保证，但它们带来了两方面的好处：一方面延长保密通信的物理距离，也增加了量子网络上的节点数量。

展望未来

橡树岭国家实验室（ORNL）的历史是一部科学与技术进步的壮丽史诗。从曼哈顿计划的核反应堆，到今天的量子科学中心，ORNL的历史是不断探索和创新的历史。他们的目标，是将量子科学的理论研究转化为实际的技术应用，为人类社会的发展开辟新的可能。如今，ORNL的科学家们正在用他们的智慧和勇气，开启新的探索之旅。

图：历史照片-橡树岭实验室数十年的探索

参考链接

[1]https://www.qscience.org/co-design/

[3]https://www.pnnl.gov/publications/enabling-nuclear-physics-discoveries-quantum-computing

[4]https://www.ornl.gov/ornl/news/News-Resources