康涅狄格大学与耶鲁大学的量子技术合作：QuantumCT项目的前景与挑战

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康涅狄格大学（2024USNews美国大学排名：58）与耶鲁大学的量子技术合作：QuantumCT项目的前景与挑战

2024年6月26日，康涅狄格大学（UConn）宣布了一项名为QuantumCT的公私合作伙伴关系，旨在通过量子科学和技术解决实际问题，并将康涅狄格州定位为全球量子技术中心。该计划由康涅狄格大学和耶鲁大学资助，分发给九个康涅狄格州的研究团队，这些团队将进行为期一年的探索性量子项目。这些项目旨在解决州内企业合作伙伴提出的“挑战问题”，如开发模拟分子药物作用的算法或在极端环境中工作的高精度传感器。

QuantumCT合作伙伴关系的背景与意义

QuantumCT项目的启动标志着康涅狄格州在量子技术领域迈出了重要一步。2024年3月11日，哈特福德新闻报发表了一篇由耶鲁大学副教务长Michael Crair和康涅狄格大学副校长Pamir Alpay撰写的评论文章，强调康涅狄格州应抓住量子技术带来的机遇。文章指出，量子技术基于亚原子粒子的奇特性质，正在迅速发展并扩展其影响。量子计算可以处理传统计算机无法解决的问题，预计将在数据安全、投资组合、癌症治疗、运输效率和人工智能等领域带来巨大改进。

康涅狄格大学和耶鲁大学共同获得了国家科学基金会的资助，计划设计QuantumCT项目。如果提案成功，康涅狄格州将在10年内获得1.6亿美元的联邦资金。QuantumCT旨在加速研究，帮助行业合作伙伴识别量子技术可以解决的问题，并促进包容性增长，确保利益惠及广泛的利益相关者。文章还提到，量子计算、通信和传感市场到2040年可能达到1060亿美元，仅量子计算在化学、生命科学、金融和汽车行业的市场预计到2035年将达到1.27万亿美元。康涅狄格州的国防、生物技术和金融服务行业也将从中受益。

然而，文章警告说，美国在量子技术领域的投资远低于中国和欧盟，如果不扭转这一趋势，美国将在量子技术竞赛中落后。作者呼吁国会充分资助《芯片与科学法案》，并邀请康涅狄格州的居民、立法者、企业和组织参与这项工作。

应用启发研究在量子技术中的应用

QuantumCT项目采用了一种称为“应用启发研究”的科学方法，这种方法在量子技术领域具有重要意义。2023年12月27日，华沙大学物理系的研究人员与斯坦福大学和俄克拉荷马州立大学的同事合作，提出了一种基于光强度相关测量的量子启发相位成像方法，该方法对相位噪声具有很强的鲁棒性。这种新成像方法即使在极其微弱的光照下也能工作，并且在红外和X射线干涉成像以及量子和物质波干涉测量等新兴应用中具有潜在用途。

研究结果发表在《科学进展》杂志上。相位对比显微镜自1953年Frits Zernike获得诺贝尔奖以来，在生物医学成像领域引发了革命。尽管如此，干涉测量等标准测量方法在系统稳定时才能工作，面对移动或震动环境时挑战巨大。华沙大学的研究团队受Leonard Mandel经典实验的启发，利用强度相关测量进行相位成像，即使在标准干涉图失去所有相位信息的情况下，也能通过分析多张独立照片恢复出完美的干涉图。该方法在非常嘈杂的环境中也能广泛应用，适用于经典光和量子光，并能在光子计数模式下实现。

高精度传感器在极端环境中的发展

QuantumCT项目中的一个重要方向是开发高精度传感器，以应对极端环境中的挑战。2023年8月17日，Frontiers in Microbiology发表了一篇题为《审视生物传感器和芯片实验室技术的现状：极端环境和太空探索的机遇》的综述文章。文章指出，随着太空竞赛进入新阶段，机器人和人类任务数量迅速增加，尽管推进和生命支持技术取得了进展，但在各种科学领域进行分析测量和实验的需求也在增加。芯片实验室（LoC）纳米生物传感器因其低占地面积、高精度和低负载要求，成为太空探索中的新兴技术。

文章回顾了LoC技术在极端环境和太空探索中的当前和潜在角色，强调了其在监测宇航员健康、环境分析和生物标志物探索中的应用前景。LoC技术结合了检测技术的稳健性、低成本传感器、小型化和实时能力，代表了适用于太空探索和极端环境分析的顶级系统。文章还讨论了在极端温度、火山、环境微生物、水下应用和极端pH测量等条件下的传感器应用实例。

此外，文章探讨了纳米生物传感器在宇航员健康和生命支持系统中的应用。太空环境对人体有多种影响，包括体液变化、肌肉萎缩、骨质流失和免疫失调等。为了在任务期间保持宇航员健康，必须能够进行现场诊断、管理和治疗。LoC技术提供了便携、高效和易于使用的工具，用于快速现场检测、诊断和监测疾病。

综述还指出，尽管LoC技术在过去十年中取得了显著进展，但其在极端环境探索中的应用仍然较少。未来的研究应集中在改进传感器的耐用性、可逆性、灵敏度和选择性，以支持适用于恶劣环境调查和太空探索的下一代系统的发展。

量子计算在药物开发中的应用

量子计算技术在药物开发中的应用前景广阔。2024年5月30日，量子计算机在化学领域的实际应用正在逐步显现，特别是在新材料、催化剂和药物的开发方面。量子计算机与分子一样，受量子力学定律支配，因此在预测分子结构和行为方面具有独特优势。Quantinuum公司展示了使用量子计算机计算氢分子电子排列的能力，尽管这一计算目前普通笔记本电脑也能完成，但标志着量子计算机在处理更复杂分子方面的潜力。

量子计算机通过操纵“量子比特”进行计算，这些量子比特可以同时编码0和1的叠加状态，从而能够同时评估所有可能的相互作用。尽管量子比特非常脆弱，容易受到外界干扰，但研究人员通过冷却和隔离等方法来减少误差。近年来，量子计算机的性能不断提升，IBM和Atom Computing等公司相继推出了千量级量子比特的计算机。

化学领域的研究人员已经开始利用量子计算机来模拟燃料电池催化剂的反应路径、光与物质的相互作用以及蛋白质中的药物结合位点等。尽管目前的量子计算机还无法完全替代经典计算机，但混合算法的应用使得量子计算机在某些特定问题上展现出优势。未来，量子计算机有望在药物开发中发挥重要作用，加速新药的发现和毒性预测。

综合总结

QuantumCT项目不仅推动了量子科学和技术的发现，还为高需求的STEM领域创造了职业机会。康涅狄格大学和耶鲁大学的合作为康涅狄格州带来了巨大的机遇，使其有望成为全球量子技术的中心。通过应用启发研究、高精度传感器的开发以及量子计算在药物开发中的应用，QuantumCT项目展示了量子技术在解决实际问题中的巨大潜力。

然而，QuantumCT项目也面临着挑战。美国在量子技术领域的投资相对较低，需要更多的资金支持和政策保障。康涅狄格州的居民、立法者、企业和组织需要共同努力，确保QuantumCT项目的成功实施。

总的来说，QuantumCT项目不仅是康涅狄格州的一个重要里程碑，也是全球量子技术发展的一个重要标志。通过持续的研究和创新，QuantumCT项目有望在未来几年内取得显著成果，为量子技术的广泛应用铺平道路。