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建设量子团队:第二次量子革命需要新人物和新想法注入

2022-02-18 17:41     来源:中国同位素与辐射行业协会     粒子加速器 粒子探测器 强子对撞机 对撞机

第二次量子革命需要工程师、物理学家、计算机科学家等等。

对我们大多数人来说,量子计算、下一代量子传感和量子网络仍然属于未来。但许多早期职业生涯的科学家和学生已经在为这个未来做准备。

在耶鲁大学研究中微子和暗物质的物理学家雷娜·丸山说,她已经看到了大量对量子信息科学感兴趣的学生和博士后。

“当新人物和新想法注入时,技术可能会有重大进步。”

对丸山来说,这是一个很有希望的消息。她说:“当有新人物和新想法注入时,技术很可能会有很大的进步。”“我对此感到很兴奋,这样我就可以把这项新技术与真正令人兴奋的科学结合起来了。”

她说,要在量子信息科学及其应用方面取得进展,需要来自不同背景的专家的合作。

一个不断增长的领域

通过计算机科学、物理、工程和数学的课程,学生们获得了随着量子领域的扩展所需的专业知识。对于想要探索量子技术的学生,物理学家亚伦·周有这样的建议:花点时间理解量子力学。这并不像你想的那么吓人。

美国能源部费米国家加速器实验室的科学家周说:“人们很难说,‘我们习惯了古典物理,量子力学是可怕的。’”周领导着总部位于橡树岭国家实验室的量子科学中心的量子设备和传感器推进。他说:“我鼓励人们反过来去想:量子力学是世界的本质,它实际上是经典物理学。”

量子技术的领域远远超出了物理学,延伸到任何存在许多潜在解决方案的问题,比如模拟气候和天气,创造新型分子,或检查金融市场。

为了解决这类问题,人们正在努力制造有用的量子计算机。

加州大学圣巴巴拉分校的物理学家约翰·马提尼斯说,研究始于1、2或几个量子位,他帮助构建了具有53个可编程量子位的谷歌量子计算机。但直到现在,我们才开始看到潜在的强大的量子系统。

马提尼斯将量子计算机的进步与粒子加速器的进步进行了比较。1930年,粒子加速器可以放在你的手掌里;今天我们有了更强大的大型强子对撞机,周长17英里。

马提尼斯说:“你必须学习如何更好地制造东西,并理解你正在组装的机器的物理原理。”“随着时间的推移,我们建造了更复杂的仪器,可以做更好的科学研究。”

周希望最终使用量子计算机来处理数十亿或数百亿的量子传感器产生的大量数据,这些仪器目前还不可行。

“如果你想进入粒子探测器的下一个阶段,”他说,你需要一台量子计算机。“除非我们把一切都简化一点,否则我们将无法处理必要的、更大的通道数量。”

量子劳动力

建造量子计算机,部分是物理问题,部分是计算问题,部分是多面工程挑战。

关于控制量子位元如何脱离纠缠以及错误如何进入量子计算系统的物理学,我们还有很多东西要学习。运行量子计算机需要使用新的软件和编程方法。

但这不仅仅是处理器技术,量子经济发展联盟的执行董事、《评估量子工业的需求》一书的合著者西莉亚·默尔茨巴赫说。

她说:“有很多周边或支持的技术都很重要。”

建造量子计算机需要许多相互连接的工程系统。例如,默尔茨巴赫说,专门的电子设备向处理器发送精确的微波信号来控制量子位元。量子系统需要特定的激光器、光学、真空和低温系统。人们总是推动把这些系统设计得更紧凑和稳定。

随着量子系统的快速发展,是否需要一种全新的工人,一种量子工程师?

不完全是这样,默尔茨巴赫说。

默尔茨巴赫说:“公司渴望雇佣从传统工程学校毕业的、具有光子学和软件工程等各种经典领域的专业知识的人。”“只要再上一两门关于量子科学的课程,他们就会为这个领域的工作做好充分准备。”

罗切斯特理工学院的物理学教授本杰明·兹维克尔说,你也不需要成为一个博士级别的物理学家来研究量子系统。

兹维克尔说:“对于已经主修所有这些不同的计算机、工程和科学领域的学生来说,如果他们有一到两门量子课程,他们在许多量子技术学士学位职位上非常有竞争力。”

确保访问

兹维克尔指出,尽管代表了广泛的学科,但这些量子劳动力的领域也有一些是多样性最低的。

例如,根据皮尤研究中心的一项分析,2018年,美国白人学生在物理科学领域获得的学位比例高于其他STEM领域,占学士学位的66%;72%的硕士学位;和73%的研究博士学位。在获得数学、物理科学和工程学博士学位的人中,黑人和西班牙裔成年人的比例最少。尽管2018年女性获得STEM大学学位占53%,但工程学士学位仅占22%,计算机科学学士学位占19%。

丸山说,随着大学、科技公司和实验室对量子信息科学研究的发展,思考如何改变这些模式是很重要的。她说:“有时,人们急于取得领先,可能会与多样性或包容性背道而驰。”

在论文《实现量子智能劳动力》中,兹维克尔和合著者建议将量子信息培训纳入学士水平、特别是副学士学位水平教育,那里的学生群体往往更加多样化。兹维克尔补充说,在历史上的黑人学院和大学、部落学院和大学以及西班牙裔服务机构开展的量子倡议可以帮助学生看到该领域未来的机会,并可以消除进入量子劳动力市场的障碍。

这些都是一个名为Qubit by Qubit的非营利组织的目标,该组织提供课程和教育项目,在K-12水平上向更年轻的学生介绍量子概念。“我们试图打破只有天才才能进行量子计算的观点。这是另一个障碍,K-12教育是你可以在这些想法得到巩固之前分解的地方,”执行董事基拉·佩尔茨说。“我们想向我们的学生展示,这个领域适合每个人。”

这是一个重要的时刻,雷切尔·扎克曼补充说。

“我们有机会培训新一代员工使用这项技术,并推进这一领域。如果我们做得对,它将极大地扩大这个领域的机会,特别是对那些历来被忽视的人,”扎克曼说。“这是非常有希望的,但该领域不应该轻视这个责任。”

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