從建構混合架構到解決複雜的基本問題，量子物理學家 毛羅·帕特諾斯特羅 概述了量子技術領域所提供的巨大潛力
我們正處於量子復興之中，學術界和工業界的研究人員都在爭奪「贏得」量子運算競賽。量子市場正在蓬勃發展，數十家大大小小的公司在全球政府巨額資金的支持下投資於這項技術。
Mauro Paternostro，巴勒莫大學和貝爾法斯特女王大學的量子物理學家，是量子資訊處理和量子技術的專家。他的團隊致力於該學科的基礎，正在腔光力學、量子通訊等領域進行開創性研究。他也是 IOP 出版期刊的主編 量子科技.
在這次內容廣泛的訪談中，Paternostro 與Tushna Commissariat 討論了他對量子領域的看法——從量子技術和混合架構的「四大支柱」到量子技術和人工智慧(AI) 之間有希望的結合。帕特諾斯特羅也強調，政府需要持續提供資金，以實現這項改變世界的技術的真正潛力。
在過去的十年裡，我們已經看到量子泡沫的破裂，但是全球範圍內量子科技公司和資金呈指數級擴張的潛在優勢和風險是什麼？
總體而言，情況非常積極。量子資訊處理需要產業的推動，因為企業可以推動該領域所需的更務實的發展。就整體目標而言，產業提供的視角有助於以更有針對性的方式塑造量子技術。無論是工業界還是學術界，新興、爆炸性的市場都是巨大的。
但是，正如您所指出的，增長迅速。雖然這基本上是一件好事，但也有人擔心我們可能會製造一個大泡沫，這個泡沫遲早會破裂。所以我認為這是一個控制問題——我們確實需要在某種程度上克制自己，同時允許研究領域有機發展。
我有點擔心似乎都在開發自己的量子軟體的小公司的數量。他們的產品與真正的量子演算法關係不大，通常是經典的最佳化解決方案——有其自身的優點。但它們不一定是我所說的量子框架。
另一方面，一些衍生公司更注重量子處理平台的實施，例如量子感測器。這些真的很有趣，因為它不僅涉及量子計算，還涉及其他物理定律。
量子技術的發展有四大支柱：量子計算；量子模擬；量子通訊；以及量子感測和計量學。我想說，這四個人都在以非常健康的方式發展。
量子感測和通訊似乎是最先進的技術之一，這要歸功於它們可以利用的技術的成熟。雖然工業界的參與是有益且有前途的，但我們應該警惕因試圖在沒有手頭的全額票價的情況下跳上快速巴士而產生的瘋狂投機和「通貨膨脹」。
雖然我經常對小公司持懷疑態度，但有時你也會從大公司得到令人擔憂的消息。例如，中國科技公司阿里巴巴對開發量子運算平台和解決方案很感興趣，直到去年底突然決定關閉其內部量子團隊，表示寧願專注於成為人工智慧研究的領導者。
這只是一個商業決定，還是阿里巴巴嗅到了我們尚未嗅到的味道？我想我們得拭目以待。總的來說，我認為未來是光明的，產業的參與是一個非常好的消息。
有許多不同的量子計算技術在爭奪榜首——從捕獲離子和量子點到超導和光子量子位元。您認為哪一個最有可能成功？
我是一個不可知論者，因為我不相信我們建造的第一個量子設備將是完全量子的。我知道對某些人來說這是一個有爭議的觀點，但這是我所在領域的許多其他人所認同的觀點。我認為我們最終會得到一個混合架構，其中最好的 高性能計算 (HPC) 將與量子運算架構連接。
也許這些 雜訊中尺度量子 (NISQ) 架構將與成熟的 HPC 架構相結合，從而提高其效能，反之亦然。這種混合設備提供的量子資源將提高目前經典 HPC 的性能。我堅信這種混合架構的可行性——完全量子解決方案距離我們現在的水平還有很長的路要走。
此外，我並不完全相信我們將有能力管理充分利用量子電腦所提供的運算能力差距所需的大量資源。針對這種混合 HPC 量子架構的中期目標將是一個更現實且可能非常富有成果的架構。我對我一生中會發生一些事情感到有點樂觀。
您提到量子感測器已經被開髮用於各種應用，包括醫療保健、建築甚至重力測量。該領域有什麼新鮮事和令人興奮的事情？
量子感測器正在開發驚人的能力來研究迄今為止難以捉摸的機制。從本質上講，這些感測器可以幫助我們更好地檢測重力等力的潛在量子效應，這是英國許多研究人員有興趣追求的。實驗界的很大一部分正在追求這些目標——伯明翰大學的量子中心在這方面處於領先地位。
我認為沒有人聲稱有一個成功的實驗平台值得追求——冷原子和光力學都是這方面最有前途的平台。但該領域取得的理論和實驗進展非常有趣。
我相信，能夠探測難以捉摸的物理機制的基本性質的感測器將是一個關鍵的發展。還有其他感測設備，例如已經相當成熟的加速度計或成像儀。這 英國國家量子技術計劃 已經在這方面取得了重大進展，並且技術已經可用並且足夠成熟，可以產生真正的影響。
我認為各產業應該大力投資這一領域，因為除了通訊之外，感測也處於現階段量子技術實施的最前線。
為量子市場做好準備：量子業務的發展方向和發展方式
那麼量子通訊呢？
量子通訊可能是最具體的例子，其中學術進步已被付諸實踐，以造福產業主導的目標。這絕對是一個絕佳的例子，展示了當這兩個組件一起工作時我們可以取得什麼成果。
雖然進展令人驚嘆，但也存在爭議，特別是當我們考慮全球量子網路更大的地緣政治影響時。通訊和資料安全問題將變得重要，因此我們必須仔細考慮這些技術發展的更廣泛影響。地緣政治邊界不斷變化，其目標並不總是與科學目標一致。
人工智慧和量子技術交叉的一些關鍵領域是什麼？他們在哪些方面可以最好地互相幫助？
這是一個非常重要的問題。不用說，這兩個領域的聖杯非常接近——人工智慧和量子計算都基於新演算法的開發。人們聽到人們談論量子機器學習 (ML) 或量子人工智慧，但這並不是他們真正的意思。他們並不是指專門為人工智慧或機器學習問題設計的量子演算法。他們的意思是經典機器學習或經典人工智慧與量子問題的混合。
這些解決方案將取決於我們正在嘗試解決的領域和問題。但總的來說，我們正在研究處理資料集的經典技術；優化問題；求解成本函數；以及控制、最佳化和操縱量子問題。
這是非常有前途的，因為你正在將兩個世界中最好的結合在一起。從理論角度來看，其目的是解決一般量子力學層面上需要解決的問題，以及規模上更大、更複雜的問題。我們希望在演算法層級建立工具，使您能夠以可驗證和統一的方式應對這些問題的複雜性。
有趣的是，實驗已經開始趕上理論的發展。我們已經擁有許多在機器學習和量子資訊處理相結合的混合場景中開發的解決方案、方法和方法。
我希望這些實驗在未來幾年內得到充分研究，如果人工智慧和量子泡沫確實破裂，也不要陷入困境。但我懷疑情況是否會如此，因為人工智慧將繼續存在，而機器學習現在已成為全球數據分析師不可錯過的工具。如果我們有志於擴大我們能夠而且應該解決的問題的複雜性，那麼我們必須專注於開發這些工具。
該領域正在採取哪些新措施？
今年早些時候， 英國研究與創新（UKRI） 宣布將資助九個新的研究中心，以「提供革命性的人工智慧技術」來解決從醫療保健到能源的複雜問題，並資助其他 10 項研究來定義「負責任的人工智慧」。我知道其中許多都具有量子成分——尤其是在醫療保健領域，基於人工智慧的解決方案絕對是基礎，但也可能存在量子解決方案。
因此，只要人工智慧框架的開發受到監管，我對人工智慧和量子技術的融合非常樂觀。眼下， 歐盟委員會正在為其人工智慧法案製定法律框架，這將解決人工智慧可能帶來的風險，以及歐盟希望在監管該技術方面發揮的全球作用。英國和美國已經在製定類似的框架一段時間了，因此我們應該儘早制定一些全球政策和法規。
只要這項發展遵循具有堅實框架的監管政策，人工智慧與量子技術的相互作用就應該創建一個有用的雙向回饋機制，這將有助於這兩個領域的顯著發展。
當談到全球各國政府對量子技術的資助時，您希望看到哪些具體領域得到進一步投資？
我的補助！但更嚴重的是，政府層級的投資對於本質上仍是一個新興的科學領域來說是廣泛且大量的。與其他一些接受科學資助的領域相比，例如軍事或醫學研究，投入的資金數量幾乎是荒謬的——但這對我們來說當然是一件非常好的事情。這種政府支出的好處是它迫使我們形成一個社區並提出共同的目標。
如果我們參考上述四個支柱，基礎物理學和理論發展之間存在著潛在的關聯。不同國家根據其專業知識和資源選擇一個或多個重點支柱。美國非常注重計算。歐盟範圍更廣，因此情況也更複雜，但在通訊方面有大量投資，對模擬的興趣也越來越大，而歐盟的一些國家戰略也專注於感測。
英國也試圖涵蓋整個領域，但確定了一些非常明確的主題，從成像到計算，從通信到感測。像芬蘭這樣的國家採用了更具實驗性的方法，並專注於超導架構，因為它們已經擁有龐大的可用設施。另一方面，新加坡正在基於衛星的量子通訊領域進行非常強大的研究。對於一個小國來說，無論是在人才或資源方面都有巨大的潛力。
因此，不同的國家以有機的方式發展了自己的專業領域。透過這樣做，我們作為一個社區都取得了勝利——我們都從已經取得的所有進展中受益。有些是嬰兒的腳步，有些是漸進的步伐，有些是巨大的飛躍。
我認為，國家和超國家政府意識到應該持續對量子技術進行投資，這一點非常重要。這是一個需要持續、不間斷的支持才能實現其崇高目標的領域。作為科學界，我們必須描繪出一幅具有完全相同目標的連貫圖景，儘管我們之間存在任何差異。只有這樣，我們才能最好地將量子技術轉化為改變生活的現實。
作為新任主編 量子科技 (QST)，您對該期刊的願景是什麼？
這是一項巨大的榮譽，我絕對受寵若驚，但考慮到量子相關期刊不斷發展的格局，這也是一項巨大的努力。我希望期刊能夠確保 QST 仍然是提交一流貢獻的首選途徑之一。但我也想幫忙制定該雜誌的宣言及其目標。
因此，作為主編，我的首要任務是建立一個執行委員會，在編輯委員會的支持下，以明確的方式確定期刊的範圍和使命。這將為該期刊未來幾年在量子研究界的指導下的發展方式提供資訊。就範圍而言，我希望看到更多高品質的實驗更新，以推動量子技術實施的極限。
IOP 出版有 變革協議 (TA) 與您的機構就開放取用出版事宜進行交流。你能告訴我這件事嗎？
我認為就我們的成果發布而言，這是一項改變遊戲規則的協議。研究委員會對由工程和物理科學研究委員會 (EPSRC) 等資助支持的成果提出了嚴格的標準，並且需要完全可訪問這些成果，並且需要向社區充分提供數據，我們需要一個保證開放獲取的技術援助。 IOP Publishing 是我發布符合 EPSRC 標準的輸出的可行途徑，這讓我高枕無憂。
除了資助合規性之外，IOPP 協議還消除了處理文章出版費 (APC) 發票的行政負擔，這對科學家來說是一個很大的緩解。我一直主張擴大這項措施——透過與其他出版公司建立類似的協議——但也要確保這不是明年左右就會消失的一次性實驗。我們應該使其係統化，不僅是英國的機構，而且就我而言，整個歐洲的機構都參與其中。它應該從一開始就體現在高等教育機構和研究機構的運作方式。確保出版公司與大學或研究機構之間的協同作用至關重要。
