量子网络先驱：从实验室到云端的征程

Antia Lamas-Linares的量子世界之路

作为首批获得量子技术博士学位的科学家之一，这位资深研究科学经理分享了她二十余年的职业生涯历程。

2021年1月，Antia Lamas-Linares加入了某机构，致力于量子技术的研究。作为一名量子信息科学家，Lamas-Linares是量子光学领域的专家。更精确地说，她专注于量子信息协议的光子（光学）实现。迄今为止，她的职业生涯包括了在量子密钥分发（曾被称为量子密码学）、超导单光子探测器、天基量子技术（拥有多项专利）以及高性能计算方面的开创性研究。

量子科学和技术正在快速发展，世界上首次出现了小型的原型量子计算机。事实上，某Braket服务为研究人员和机构提供了访问这些计算机的途径。该机构本身也于2021年10月宣布成立量子计算中心。虽然量子处理器已经展现出一些有趣的量子力学行为，但要在真正颠覆性的层面上超越“经典”计算机，还有很长的路要走。

量子计算机通过操纵量子比特（qubits）来工作，而非传统的数字比特。Lamas-Linares加入该机构，专注于连接量子设备的相关研究。“你可以将量子计算理解为处理静态量子比特，而量子网络则处理‘飞行量子比特’——从A点传输到B点的量子比特，”Lamas-Linares说。

量子网络

要理解量子网络未来的重要性，首先需要考量量子计算最终预计会带来的一个核心颠覆：对未来数字安全的潜在威胁。这是因为量子计算机有潜力超越经典计算机，包括有能力破解当前现代通信和数据安全所依赖的加密方法。

“这个曾经遥远的威胁——一台假想的量子计算机破解现代加密——正变得越来越不再是一个假设，而是‘不是是否，而是何时’的问题，”Lamas-Linares说。

应对这一挑战的一个潜在解决方案是从一开始就“全面采用量子”方式来保护信息，Lamas-Linares说，即使用量子加密密钥。“量子网络的主要应用之一，也是唾手可得的成果，就是能够安全地分发这些密钥。这涉及到利用量子系统中固有的随机性和相关性，来创建可用于密码学的、完美安全的相关数字。”

简而言之，量子网络也有可能实现完美的隐私保护。这很容易让人陷入量子物理的兔子洞。可以说，量子纠缠——一种基本的量子现象——可以用来分发这些密钥，使得任何参与数据存储或传输的中间公司都无法访问这些数据。只有量子密钥的持有者——数据所有者——才能解密和访问这些数据。未来，这种对客户数据的完美保护对每个组织，从金融机构、政府到医院和工业，都至关重要。量子密钥分发的目标是将这些密钥安全地传输到需要的地方。

数学游戏

第一个量子密码协议是理论性的但可证明安全，被称为BB84，发表于1984年。当时，年轻的Lamas-Linares在西班牙圣地亚哥长大，正热衷于数学和物理。她回忆起父母拥有马丁·伽德纳（Martin Gardner）在《科学美国人》上发表的经典“数学游戏”专栏的西班牙语译本。“这真的引起了我的注意——我着了迷，”Lamas-Linares说。后来，在1988年，斯蒂芬·霍金的《时间简史》进一步吸引了她。“这有点老套，但那本书为我指明了道路。”

这条道路引领Lamas-Linares在圣地亚哥德孔波斯特拉大学学习物理学。毕业后，Lamas-Linares通过欧盟的Erasmus学生交换项目，到英国谢菲尔德大学学习了一年，之后又在伦敦帝国理工学院用一年时间完成了应用光学的硕士学位。

为什么专注于光学？“这是物理学中少数几个你可以亲眼看到正在发生的事情的领域之一。如果你从数学的角度研究光学，它会告诉你一些你可以用光和透镜完美重现的东西，”她说。

随后，Lamas-Linares开始学习量子光学和所谓的“压缩态”光。由于是量子效应，因此极其微小，这是肉眼无法看到的物理现象，但她认为这更加酷炫。2003年，Lamas-Linares在牛津大学获得物理学博士学位。

Lamas-Linares随后的职业生涯延续了国际化的趋势。亮点包括成为新加坡国立大学的助理教授，在那里她迅速建立了新的量子光学实验室，并成为该校量子技术中心的首席研究员。后来，她成为美国科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究院的高级研究员，并在奥斯汀的得克萨斯高级计算中心担任从事高性能计算研究的副研究员。

转向工业界

当Lamas-Linares从学术界转向工业界时，她于2019年加入了一家新加坡国立大学的衍生公司SpeQtral，担任首席量子科学家。这种转变源于她希望自己的工作能对现实世界产生更直接的影响。“学术界充满了我们所说的英雄实验，你让某件事成功了一次，但之后它可能自毁了或融化了；重要的是你证明了某件事是可能的；一个可行的效应。这很棒，但这离创造一项有用的技术还很远，”Lamas-Linares说。“首先也是最重要的，我是一个实验主义者——我建造设备。我想构建有用技术的稳健版本。那种工程挑战在学术界没有意义——你必须去工业界。我希望将量子技术带到能成为技术问题‘最佳’解决方案的地步，从而使其成为标准工具箱的一部分。”

SpeQtral率先开发了小型化的量子纠缠光子源，旨在部署在卫星上，作为在地球周围分发量子密钥的一种手段。该公司已成功在太空中演示了这种小型化技术，使用了其鞋盒大小的“立方体卫星”SpooQy-1。“当我作为首席量子科学家加入时，SpeQtral已经将一个纠缠源送入了太空，”Lamas-Linares回忆道。“那时我从事这个领域已经二十年了，在纠缠源方面做了大量工作，但也涉及设计用于在自由空间中实现量子密钥分发协议的整个系统，以及入侵这些系统以显示哪些部分需要进一步考虑。”

在SpeQtral期间，行业内的交流让Lamas-Linares与该机构讨论了这项技术。“这让我更清楚地了解到该机构在量子技术方面所做的努力，”Lamas-Linares说。“结果发现我的一位前同事Simone Severini在该机构的量子计算部门工作。有一天他对我说：‘嘿，我们正在做一些非常有趣的事情。你有兴趣加入我们吗？’”

Severini在Lamas-Linares身上看到了什么？“我认识Antia professionally大约20年了，一直对她的适应能力和她是一个真正的‘主人翁’印象深刻，”他说。“在这样一个复杂、开创性的环境中，‘主人翁精神’是基础。没有人会确切地告诉你该做什么——你必须找到自己的路，并在遇到阻力时向前推进。Antia非常适合该机构——她有很强的行动力。”

该机构的吸引力

就Lamas-Linares而言，她被该机构的资源、能力和非常长远的愿景所吸引。“该机构只对构建对其客户有明确应用和益处的东西感兴趣，但如果他们确信这种客户价值，他们会投资尽可能多的年份，以达到所需的技术成熟度水平，”她解释道。“这令人兴奋，而且在初创企业/风险投资环境中更难做到，尤其是对于复杂的硬件产品。”

Lamas-Linares说，在量子网络领域取得进展的主要挑战之一是技术集成。“无论你开发出什么量子技术，在它能对客户有用之前，需要围绕它建立一个完整的技术生态系统，而为量子技术做这些所需的人才几乎不存在。找到这种专业知识的组合并构建所需的工具，是一项不容小觑的挑战。”

许多量子技术的全新特性使得在该领域规划成功的职业生涯变得棘手。作为第一批获得量子技术博士学位的科学家，Lamas-Linares本人有什么建议可以提供吗？“我绝对没有资格给任何人建议，但我会这样说：不要害怕走一条非常规的道路。特别是在像这样新兴的领域，你根本不知道什么样的技能和经验组合最终会是正确的。”

Lamas-Linares指出，“量子工程师”目前还不真正存在。“工程师利用已有的知识并将其完善。随着量子技术被工业界采用，我们开始为量子工程师的样貌塑造模具。对我来说，这真的令人兴奋。”FINISHED