Universidade de Harvard e a Amazon Web Services (AWS) lançaram na segunda-feira, 12, uma aliança estratégica para promover pesquisas e inovações fundamentais em redes quânticas.

Esse esforço fornece financiamento significativo para pesquisas lideradas por professores em Harvard e aumentará a capacidade de recrutamento de alunos, treinamento, divulgação e desenvolvimento da força de trabalho neste importante campo de tecnologia emergente. A iniciativa se concentra em impulsionar o rápido progresso em direção a objetivos específicos de pesquisa em redes quânticas na Harvard Quantum Initiative (HQI).

Por meio de uma aliança de pesquisa de três anos, habilitada pelo Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard, a AWS fornecerá suporte a projetos de pesquisa liderados por professores e projetados na HQI em memórias quânticas, fotônica integrada e materiais quânticos. O principal objetivo dos projetos de pesquisa é desenvolver métodos e tecnologias fundamentais para o que eventualmente se tornará uma internet quântica.

O suporte filantrópico separado da AWS ajudará Harvard a treinar e apoiar estudantes de pós-graduação e pesquisadores de pós-doutorado, especialmente com o objetivo de receber aspirantes a cientistas e engenheiros de origens sub-representadas.

“Ao trabalhar juntos, a academia e a indústria podem acelerar a descoberta e o progresso tecnológico”, disse o reitor de Harvard Alan M. Garber. “Através desta aliança com a AWS, traremos estudos científicos e educação para lidar com algumas das fronteiras mais emocionantes da ciência quântica. Juntos, avançaremos os objetivos da Harvard Quantum Initiative, uma iniciativa entre faculdades que exemplifica as recompensas da colaboração em diferentes domínios científicos.”

“A rede quântica é um espaço emergente com a promessa de ajudar a enfrentar desafios de crescente importância para o nosso mundo, como comunicação segura e poderosos clusters de computação quântica”, disse Antia Lamas-Linares, líder de rede quântica da AWS. “A iniciativa colaborativa entre a AWS e Harvard aproveitará os principais talentos da pesquisa para explorar a rede quântica hoje e estabelecer uma estrutura para desenvolver a força de trabalho quântica do futuro.”

Uma parte do financiamento também permitirá uma atualização das capacidades de fabricação quântica do Centro de Sistemas de Nanoescala , apoiado pela NSF, em Harvard, uma instalação criticamente importante para nanofabricação, caracterização de materiais, litografia suave e imagem, com locais em Cambridge e no Complexo de Ciência e Engenharia em Allston.

Esses esforços se baseiam em um impulso crescente. Harvard anunciou no ano passado um novo Ph.D. programa em Ciência e Engenharia Quântica , e está finalizando os planos para renovar de forma abrangente um edifício do campus existente em um novo lar físico para HQI, bem como um hub quântico, um projeto possibilitado por presentes de Stacey L. e David E. Goel '93 e vários outros ex-alunos.

A Gazette conversou com os quatro membros do corpo docente que lideram os projetos que compõem a aliança de pesquisa: a codiretora do HQI Evelyn Hu , a professora Tarr-Coyne de Física Aplicada e Engenharia Elétrica; Marko Lon?ar , Tiantsai Lin Professor de Engenharia Elétrica; Mikhail Lukin , professor de física George Vasmer Leverett e codiretor do HQI; e Hongkun Park , Mark Hyman Jr. Professor de Química. Eles falaram sobre a pesquisa no centro da iniciativa, como ela ajudará os alunos e como ela se baseia em uma longa história de avanços em Harvard. A entrevista foi editada para maior clareza e duração.

HU: Primeiro, com o quantum muito do nosso estudo ainda está enraizado na compreensão dos fundamentos, da ciência básica – a química, a física, a engenharia – para entender do que se trata. No entanto, ao mesmo tempo, temos essa oportunidade incrível, percebendo que existem aplicativos que estão chegando ao mundo comercial. Essa aliança com a AWS nos permite unir de forma transparente os fundamentos em diversas áreas, mais típicas de um ambiente acadêmico, informados pelo entendimento de onde estão os aplicativos e como fazer com que esses aplicativos realmente surjam dos fundamentos. Isso é feito em conjunto com aqueles que entendem essas aplicações e o que significa levar a ciência, a engenharia e a tecnologia para o setor comercial e, portanto, para a sociedade. Então,

PARQUE: Este tipo de trabalho requer uma colaboração verdadeiramente interdisciplinar entre cientistas e tecnólogos de diferentes especialidades. Também representa uma colaboração relativamente rara – mas em breve muito mais comum – entre academia e indústria. Como tal, fornece terrenos educacionais únicos e férteis para os alunos.

HU: Dado o amplo escopo das plataformas fundamentais que ainda precisam ser construídas, a natureza muito diferente da informação quântica e a extensão da distância para sistemas e aplicativos, o treinamento da Geração Q requer uma organização substancial de talentos, interesses, conhecimentos, conhecimentos e habilidades muito diversos. uma reescrita das regras fundamentais de educação e treinamento. Novos tipos de colaborações acadêmico-industriais também são essenciais para abranger os fundamentos dos sistemas: os alunos devem ter a oportunidade de participar de colaborações e entender diretamente os diferentes conhecimentos, pontos de vista e “dar e receber” necessários.

LON?AR: Na minha opinião, estamos testemunhando o nascimento de uma nova disciplina científica – a engenharia quântica. Isso é semelhante à situação de muitas luas atrás, quando a engenharia elétrica nasceu da física, por exemplo. Relações industriais como a que estamos desenvolvendo com a AWS são cruciais para treinar uma nova geração de engenheiros.

LUKIN: Iniciativas desse tipo – unindo pesquisas acadêmicas de ponta e parceiros líderes da indústria – são críticas para a indústria quântica emergente e o ecossistema quântico nos EUA como um todo e na área de Boston especificamente. Acreditamos que a área de Boston, com instituições acadêmicas como Harvard e MIT, e uma série de startups no domínio quântico, já desempenha um papel de liderança no esforço quântico mundial, e vemos essas parcerias como essenciais para a continuidade da liderança neste área.

— Mikhail Lukin, George Vasmer Leverett Professor de Física e codiretor do HQI

PARQUE: Nosso principal objetivo é realizar a promessa dos repetidores quânticos, que é a espinha dorsal da internet quântica. Na internet quântica, a comunicação será realizada usando fótons individuais que não podem ser copiados ou amplificados devido à sua natureza quântica por excelência. Um dos problemas é que os fótons individuais se perderão, mesmo dentro das fibras ópticas, em cerca de 100 quilômetros ou 200 quilômetros. Então, a cada 100 quilômetros ou mais, precisamos converter fótons individuais em informações clássicas ou de alguma forma “repeti-los” sem realmente medi-los. Os repetidores quânticos que o grupo de Misha [Mikhail] está desenvolvendo fornecem uma solução para esse problema.

A equipe de Marko está realizando outra tarefa muito crítica de vincular repetidores quânticos à rede de fibra óptica existente que usamos hoje. Para fazer isso, você precisa alterar o comprimento de onda do fóton do alcance óptico para o de telecomunicações.

Evelyn e eu estamos trabalhando na exploração de novos materiais para os repetidores quânticos da próxima geração, para que possamos fazê-los funcionar em temperaturas elevadas, em vez das temperaturas extremamente baixas em que estamos trabalhando atualmente.

HU: Parte do objetivo de vincular essas áreas do projeto é, em última análise, a criação de um sistema. Essa abordagem baseada em sistemas raramente é realizada nas universidades. Precisamos dos recursos, da longevidade, do conhecimento dos mercados externos e das demandas da sociedade. Esta nova colaboração fornece esse complemento.

LON?AR: Um recurso é a segurança das informações, porque o transporte de estados quânticos significa que você pode detectar a presença de qualquer bisbilhoteiro. A segunda é a coerência, basicamente uma maneira de acessar computadores quânticos – assim que estiverem prontos para o horário nobre – de maneira completamente quântica. Por exemplo, isso pode permitir que um usuário gere um estado quântico complexo, envie-o via internet quântica - junto com o algoritmo quântico - para o computador quântico, faça computação e, em seguida, recupere o estado quântico que é o resultado da computação. Tal sistema quântico de ponta a ponta – “nuvem quântica”, como gosto de chamá-lo – resultaria em poder computacional e segurança sem precedentes.

HU: Minha crença é que os avanços proporcionados por uma internet quântica serão verdadeiramente profundos, de maneiras que não podemos, no momento, antecipar. Em geral, os humanos sempre foram limitados em nossa capacidade de perceber ou prever as implicações de uma nova tecnologia: no início, ninguém sabia muito bem o que fazer com os transistores. Quem sabia que mudanças profundas o computador pessoal ou o smartphone iriam criar? Da mesma forma, o que poderíamos fazer se pudéssemos enviar, receber, processar e armazenar informações com muito mais rapidez e segurança do que atualmente? Faríamos multitarefas, integraríamos cada vez mais sensores para projetar perfeitamente diferentes visões do mundo real?

PARQUE: Na minha opinião, a primeira aplicação no mundo real da internet quântica é uma comunicação genuinamente segura e não hackeada. Como Evelyn disse, como outros desenvolvimentos tecnológicos profundos, ninguém sabe exatamente como as coisas se desenrolarão depois.

LUKIN: Estamos falando aqui não apenas da próxima geração da Internet, mas da Internet com recursos fundamentalmente novos. Além da comunicação segura, os aplicativos podem incluir computadores quânticos em rede com possibilidades fundamentalmente novas. Um exemplo é a computação quântica “cega”, onde a computação pode ser executada em uma nuvem quântica sem que ninguém – incluindo as partes que executam a nuvem – tenha a possibilidade de descobrir o que está sendo computado, novos tipos de redes de sensores distribuídos, votação segura e tomada de decisão , e mais.

Este é um ponto de inflexão, onde um novo campo científico está nascendo, envolvendo a interface entre física quântica, química, ciência da computação e engenharia de dispositivos. As analogias do passado incluem o surgimento de novos campos, como engenharia elétrica ou ciência da computação. Eles surgiram de disciplinas como física ou matemática e ambas tiveram um impacto profundo na ciência e na sociedade.

LUKIN: Se voltarmos até as décadas de 1950 e 1960, um importante trabalho fundamental foi feito tanto em termos de compreensão das propriedades quânticas da luz, como pensar sobre elas, como descrevê-las, o que significa para essa luz ser quântica. Esse foi o trabalho fundamental feito por Roy Glauber, ganhador do Prêmio Nobel. Paralelamente, houve também alguns trabalhos verdadeiramente fundamentais de Ed Purcell, outro professor de física de Harvard e outro vencedor do prêmio Nobel, envolvendo a interação da radiação com a matéria. Isso resultou em algo que é chamado de efeito Purcell, que na verdade é o fenômeno que usamos para fazer com que fótons únicos interajam fortemente com átomos únicos.

Cerca de 20 anos atrás, outro avanço aconteceu em Harvard: juntamente com vários colaboradores ao redor do mundo, desenvolvemos teoricamente a ideia de repetidores quânticos – os blocos básicos de construção da internet quântica que podem corrigir erros na transmissão quântica. Isso incluiu uma maneira conceitual de construir repetidores quânticos usando memórias e também ideias específicas sobre como usar impurezas semelhantes a átomos em diamantes para construí-los na prática. Mais tarde, realizamos os primeiros trabalhos na manipulação de defeitos individuais semelhantes a átomos em diamantes. Logo percebemos que, para tornar essas coisas práticas algum dia, precisávamos não apenas de física básica, mas também de química, engenharia fotônica, ciência dos materiais. Foi assim que começou esta colaboração entre os nossos vários grupos. Outro avanço muito importante aconteceu no grupo de Marko quando eles desenvolveram uma técnica para fazer dispositivos em nanoescala de diamante – algo que antes era completamente impossível. Isso foi essencial para realizar os nós práticos da rede quântica que eventualmente demonstramos em nossos laboratórios. E a partir disso, a equipe de Marko percebeu que a melhor abordagem era tentar fazer pequenos dispositivos em nanoescala de diamante.

Então, foram décadas de trabalho, começando de coisas muito básicas como entender as interações fundamentais entre átomos e fótons únicos, até questões muito mais práticas sobre como fazer esses dispositivos completamente futuristas - duas décadas atrás, era totalmente impensável que pudéssemos fazer qualquer dispositivo de diamante.

Onde estamos agora é resultado de vários tipos de milagres, alguns menores e outros maiores. O que queremos fazer agora é realmente pegar esses blocos de construção e começar a criar dispositivos e combiná-los em sistemas, como disse Evelyn, sistemas que terão recursos completamente sem precedentes.

HU: Misha disse que é uma série de milagres. A ciência é sempre milagrosa, mas acho que é mais do que isso. Acho que é um compromisso de longo prazo. O que Misha descreve – voltando aos anos 1950 e certamente mais recentemente – é jogar o jogo longo, o compromisso com as possibilidades e o trabalho com pessoas, mesmo nos estágios iniciais, quando as possibilidades ainda não são totalmente compreendidas, muito menos realizadas. É apenas tendo essa visão de longo prazo, assumindo um compromisso com a colaboração – e a confiança subjacente que mantém as colaborações unidas – que os milagres realmente se manifestam.