从构建混合架构到解决复杂的基本问题，量子物理学家 毛罗·帕特诺斯特罗 概述了量子技术领域所提供的巨大潜力
我们正处于量子复兴之中，学术界和工业界的研究人员都在争夺“赢得”量子计算竞赛。量子市场正在蓬勃发展，数十家大大小小的公司在全球政府巨额资金的支持下投资于这项技术。
Mauro Paternostro，巴勒莫大学和贝尔法斯特女王大学的量子物理学家，是量子信息处理和量子技术方面的专家。他的团队致力于该学科的基础，正在腔光力学、量子通信等领域进行开创性研究。他还是 IOP 出版期刊的主编 量子科学与技术.
在这次内容广泛的采访中，Paternostro 与 Tushna Commissariat 讨论了他对量子领域的看法——从量子技术和混合架构的“四大支柱”到量子技术和人工智能 (AI) 之间有希望的结合。帕特诺斯特罗还强调，政府需要持续提供资金，以实现这项改变世界的技术的真正潜力。
在过去的十年里，我们已经看到量子泡沫的破裂，但是全球范围内量子技术公司和资金呈指数级扩张的潜在优势和风险是什么？
总体而言，情况非常积极。量子信息处理需要行业的推动，因为企业可以推动该领域所需的更务实的发展。就总体目标而言，行业提供的视角有助于以更有针对性的方式塑造量子技术。无论是工业界还是学术界，新兴、爆炸式的市场都是巨大的。
但是，正如您所指出的，增长迅速。虽然这基本上是一件好事，但也有人担心我们可能会制造一个大泡沫，这个泡沫迟早会破裂。所以我认为这是一个控制问题——我们确实需要在某种程度上克制自己，同时允许研究领域有机发展。
我有点担心似乎都在开发自己的量子软件的小公司的数量。他们的产品与真正的量子算法关系不大，通常是经典的优化解决方案——有其自身的优点。但它们不一定是我所说的量子框架。
另一方面，一些衍生公司更注重量子处理平台的实施，例如量子传感器。这些真的很有趣，因为它不仅涉及量子计算，还涉及其他物理定律。
量子技术的发展有四大支柱：量子计算；量子模拟；量子通信；以及量子传感和计量学。我想说，这四个人都在以非常健康的方式发展。
量子传感和通信似乎是最先进的技术之一，这要归功于它们可以利用的技术的成熟。虽然工业界的参与是有益且有前途的，但我们应该警惕因试图在没有手头的全额票价的情况下跳上快速巴士而产生的疯狂投机和“通货膨胀”。
虽然我经常对小公司持怀疑态度，但有时你也会从大公司那里得到令人担忧的消息。例如，中国科技公司阿里巴巴对开发量子计算平台和解决方案很感兴趣，直到去年底突然决定关闭其内部量子团队，表示宁愿专注于成为人工智能研究的领导者。
这仅仅是一个商业决定，还是阿里巴巴嗅到了我们尚未嗅到的味道？我想我们得拭目以待。总的来说，我认为未来是光明的，行业的参与是一个非常好的消息。
有许多不同的量子计算技术在争夺榜首——从捕获离子和量子点到超导和光子量子位。您认为哪一个最有可能成功？
我是一个不可知论者，因为我不相信我们建造的第一个量子设备将是完全量子的。我知道对于某些人来说这是一个有争议的观点，但这是我所在领域的许多其他人所认同的观点。我认为我们最终会得到一个混合架构，其中最好的 高性能计算（HPC） 将与量子计算架构连接。
也许这些 噪声中尺度量子 (NISQ) 架构将与成熟的 HPC 架构相结合，从而提高其性能，反之亦然。这种混合设备提供的量子资源将提高当前经典 HPC 的性能。我坚信这种混合架构的可行性——完全量子解决方案距离我们现在的水平还有很长的路要走。
此外，我并不完全相信我们将有能力管理充分利用量子计算机所提供的计算能力差距所需的大量资源。针对这种混合 HPC 量子架构的中期目标将是一个更加现实且可能非常富有成果的架构。我对我一生中会发生一些事情感到有点乐观。
您提到量子传感器已经被开发用于各种应用，包括医疗保健、建筑甚至重力测量。该领域有什么新鲜事和令人兴奋的事情？
量子传感器正在开发惊人的能力来研究迄今为止难以捉摸的机制。从本质上讲，这些传感器可以帮助我们更好地检测重力等力的潜在量子效应，这是英国许多研究人员有兴趣追求的。实验界的很大一部分正在追求这些目标——伯明翰大学的量子中心在这方面处于领先地位。
我认为没有人声称有一个成功的实验平台值得追求——冷原子和光力学都是这方面最有前途的平台。但该领域取得的理论和实验进展非常有趣。
我相信，能够探测难以捉摸的物理机制的基本性质的传感器将是一个关键的发展。还有其他传感设备，例如已经相当成熟的加速度计或成像仪。这 英国国家量子技术计划 已经在这方面取得了重大进展，并且技术已经可用并且足够成熟，可以产生真正的影响。
我认为各行业应该大力投资这一领域，因为除了通信之外，传感也处于现阶段量子技术实施的最前沿。
为量子市场做好准备：量子业务的发展方向和发展方式
那么量子通信呢？
量子通信可能是最具体的例子，其中学术进步已被付诸实践，以造福于行业主导的目标。这绝对是一个绝佳的例子，展示了当这两个组件一起工作时我们可以取得什么成果。
虽然进展令人惊叹，但也存在争议，特别是当我们考虑全球量子网络更大的地缘政治影响时。通信和数据安全问题将变得重要，因此我们必须仔细考虑这些技术发展的更广泛影响。地缘政治边界不断变化，其目标并不总是与科学目标一致。
人工智能和量子技术交叉的一些关键领域是什么？他们在哪些方面可以最好地互相帮助？潜在的问题是什么？
这是一个非常重要的问题。不用说，这两个领域的圣杯非常接近——人工智能和量子计算都基于新算法的开发。人们听到人们谈论量子机器学习 (ML) 或量子人工智能，但这并不是他们真正的意思。他们并不是指专门为人工智能或机器学习问题设计的量子算法。他们的意思是经典机器学习或经典人工智能与量子问题的混合。
这些解决方案将取决于我们正在尝试解决的领域和问题。但总的来说，我们正在研究处理数据集的经典技术；优化问题；求解成本函数；以及控制、优化和操纵量子问题。
这是非常有前途的，因为你正在将两个世界中最好的结合在一起。从理论角度来看，其目的是解决一般量子力学层面上需要解决的问题，以及规模上更大、更复杂的问题。我们希望在算法级别构建工具，使您能够以可验证和统一的方式应对这些问题的复杂性。
有趣的是，实验已经开始赶上理论的发展。我们已经拥有许多在机器学习和量子信息处理相结合的混合场景中开发的解决方案、方法和方法。
我希望这些实验在未来几年内得到充分研究，并且如果人工智能和量子泡沫确实破裂，也不要陷入困境。但我怀疑情况是否会如此，因为人工智能将继续存在，而机器学习现在已成为全球数据分析师不可错过的工具。如果我们有志于扩大我们能够而且应该解决的问题的复杂性，那么我们必须专注于开发这些工具。
该领域正在采取哪些新举措？
今年早些时候， 英国研究与创新（UKRI） 宣布将资助九个新的研究中心，以“提供革命性的人工智能技术”来解决从医疗保健到能源的复杂问题，并资助其他 10 项研究来定义“负责任的人工智能”。我知道其中许多都具有量子成分——尤其是在医疗保健领域，基于人工智能的解决方案绝对是基础，但也可能存在量子解决方案。
因此，只要人工智能框架的开发受到监管，我对人工智能和量子技术的融合非常乐观。眼下， 欧盟委员会正在为其人工智能法案制定法律框架，这将解决人工智能可能带来的风险，以及欧盟希望在监管该技术方面发挥的全球作用。英国和美国已经在制定类似的框架一段时间了，因此我们应该尽早制定一些全球政策和法规。
只要这一发展遵循具有坚实框架的监管政策，人工智能与量子技术的相互作用就应该创建一个有用的双向反馈机制，这将有助于这两个领域的显着发展。
当谈到全球各国政府对量子技术的资助时，您希望看到哪些具体领域得到进一步投资？
我的补助金！但更严重的是，政府层面的投资对于本质上仍然是一个新兴的科学领域来说是广泛且大量的。与其他一些接受科学资助的领域相比，例如军事或医学研究，投入的资金数额几乎是荒谬的——但这对我们来说当然是一件非常好的事情。这种政府支出的好处是它迫使我们形成一个社区并提出共同的目标。
如果我们参考上述四个支柱，基础物理学和理论发展之间存在着潜在的联系。不同国家根据其专业知识和资源选择一个或多个重点支柱。美国非常注重计算。欧盟范围更广，因此情况也更复杂，但在通信方面有大量投资，对模拟的兴趣也越来越大，而欧盟的一些国家战略也侧重于传感。
英国也试图涵盖整个领域，但确定了一些非常明确的主题，从成像到计算，从通信到传感。像芬兰这样的国家采用了更具实验性的方法，并专注于超导架构，因为它们已经拥有庞大的可用设施。另一方面，新加坡正在基于卫星的量子通信领域开展非常强大的研究。对于一个小国来说，无论是在人才还是资源方面都有巨大的潜力。
因此，不同的国家以有机的方式发展了自己的专业领域。通过这样做，我们作为一个社区都取得了胜利——我们都从已经取得的所有进展中受益。有些是婴儿的脚步，有些是渐进的步伐，有些是巨大的飞跃。
我认为，国家和超国家政府认识到应该持续对量子技术进行投资，这一点非常重要。这是一个需要持续、不间断的支持才能实现其崇高目标的领域。作为科学界，我们必须描绘出一幅具有完全相同目标的连贯图景，尽管我们之间存在任何差异。只有这样，我们才能最好地将量子技术转化为改变生活的现实。
作为新任主编 量子科学与技术 (QST)，您对该期刊的愿景是什么？
这是一项巨大的荣誉，我绝对受宠若惊，但考虑到量子相关期刊不断发展的格局，这也是一项巨大的努力。我希望期刊能够确保 QST 仍然是提交一流贡献的首选途径之一。但我也想帮助制定该杂志的宣言及其目标。
因此，作为主编，我的首要任务是建立一个执行委员会，在编辑委员会的支持下，以明确的方式确定期刊的范围和使命。这将为该期刊未来几年在量子研究界的指导下的发展方式提供信息。就范围而言，我希望看到更多高质量的实验更新，以推动量子技术实施的极限。
IOP Publishing 有一个 变革协议 (TA) 与您的机构就开放获取出版事宜进行交流。你能告诉我这件事吗？
我认为就我们的成果发布而言，这是一项改变游戏规则的协议。研究委员会对由工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 等资助支持的成果提出了严格的标准，并且需要完全可访问这些成果，并且需要向社区充分提供数据，我们需要一个保证开放获取的技术援助。 IOP Publishing 是我发布符合 EPSRC 标准的输出的可行途径，这让我高枕无忧。
除了资助合规性之外，IOPP 协议还消除了处理文章出版费 (APC) 发票的行政负担，这对科学家来说是一个很大的缓解。我一直主张扩大这一举措——通过与其他出版公司建立类似的协议——但也要确保这不是一项在明年左右就会消失的一次性实验。我们应该使其系统化，不仅是英国的机构，而且就我而言，整个欧洲的机构都参与其中。它应该从一开始就体现在高等教育机构和研究机构的运作方式中。确保出版公司与大学或研究机构之间的协同作用至关重要。
