北欧又一国家布局量子

光子盒研究院

 

6 月 8 日，挪威奥斯陆城市大学、Simula 研究实验室在内的QCNorway研讨会团队撰写了一份立场文件，其中，对新兴的挪威量子战略提出了建议。

“世界正在接近一场量子革命——一个为期40年的梦想，利用量子力学的现象使计算机获得超能力，似乎正在迅速实现；这种变化是由于最近在量子技术的几个方面取得的进展。尽管现在还不能确定量子革命将在何时、何地、以何种形式出现，但似乎很清楚，主要的、有影响的变化将会到来。这些变化有可能超越最近人工智能和机器学习的胜利浪潮。”

因此，此文呼吁挪威必须开始制定自己的国家量子战略，并表示，“量子计算应该是一个主要部分”。

现代社会依赖于大量的数据被不断地收集并通过先进的算法处理。而目前，对计算能力的需求比传统计算机的性能快几百万倍。

量子计算的想法早在40年前就已提出：利用量子力学的现象，量子计算机被预测可以在传统计算机所用时间的极小部分内解决某些问题，使可控的问题复杂性远远超出传统技术的范围。今天，这个有40年历史的想法似乎正在迅速接近现实。

量子计算机有望在解决某些类型的计算挑战方面特别有效，例如在广泛的高要求应用中发现的优化问题，包括使用机器学习和人工智能。它们还可以比经典计算机更有效地模拟量子系统的行为：这在材料科学、化学和许多其他领域都有应用。由于也有一些重要的问题将由传统计算机更好地解决，我们已经看到了将量子设备与传统计算机系统相结合的混合方法的发展。

如果量子计算的力量被完全实现，社会将面临一场计算机革命。这场革命可以为新水平的科学洞察力和商业机会铺平道路，甚至将可以从根本上对威胁生命的疾病进行诊断和治疗的新方法。量子处理单元将只消耗传统技术进行类似计算所需功率的一小部分，这意味着量子计算机可能成为对环境负责和生态友好的数据处理——也就是绿色计算的重要组成部分。

虽然预计会有深远的积极影响，但量子计算机的发展也给我们的现代数字社会带来了威胁。众所周知，足够大的量子计算机将能够打破今天最常用的保护隐私、秘密和完整性的加密算法。因此，抗量子密码学目前是一个非常活跃的领域，人们致力于设计、分析和部署能够承受未来大型量子计算机的密码算法和协议。

量子计算预计将成为一个1万亿美元的产业，可能会给数字社会带来突破性的变化，任何现代的、依赖技术的国家都不能忽视这一挑战。今天，美国在技术竞赛中处于领先地位，中国和加拿大是挑战者。几个欧洲国家已经准备好建立他们的国家量子战略，并宣布了大量的国家资金，在许多情况下，这些资金已经被私人投资所匹配或取代了。根据欧洲政策中心的说法，不断增长的量子生态系统现在正处于一个关键阶段，它可以发展成一个具有国际竞争力的欧洲产业。

2023年3月15日，英国宣布其国家战略，将在未来10年内投资25亿英镑。到2022年底，荷兰、法国和德国的量子技术投资总额分别为7.65亿、18亿和26亿欧元。此外，德国政府在2023年4月中旬宣布投资30亿欧元，在2026年前开发一台通用量子计算机。其他北欧国家的相应数字较小，但也很可观：  丹麦（2.28亿欧元）、瑞典（1.43亿欧元）和芬兰（2400万欧元）。这三个北欧国家是世界上11个被选中与美国签订双向量子研发协议的国家之一。在丹麦和瑞典的投资包括建造高端量子计算机的大型私人资助计划。此外，丹麦最近被选为新的北约量子技术中心的东道国。

在这三个北欧国家，制定国家量子战略的势头强劲。丹麦的战略正在等待公布，而芬兰和瑞典的量子社区最近（2023年2月至3月）提出了他们的量子议程，作为对各自政府的建议。

到目前为止，挪威还没有官方的量子政策或量子战略，也没有任何专门的投资（无论是公共的还是私人的）。相对于邻国和世界其他国家所表现出的势头，这是一个非常不平衡的情况因此，挪威政府需要采取坚定的行动：在提供宝贵位置的时间窗口关闭之前，这些行动现在就需要实现。

由于量子信息技术的使用将在知识工作者中继续增长，因此有必要培养一支具有量子素养和量子知识的员工队伍。虽然量子物理和量子技术传统上是在学术背景下向物理学学生传授的，但这本身并不能满足量子行业的需求。特别是，有抱负的计算机科学家需要被引入到量子领域。

时间对于这样一个项目来说至关重要。教育学生获得学士学位、硕士学位或更高学位需要数年时间，或者通过继续教育延长现有劳动力的资格。因此，为了满足快速增长的量子产业、其周围的生态系统和社会利益相关者不断升级的需求，没有时间可以浪费。这种关注促使在全世界范围内都在制定一系列教育计划。

已有的调查表明，量子教育的两个相互关联的方面非常突出：

- 量子工作队伍比博士毕业生更多样化；

- 量子劳动力超越了量子特定技术。

这两个方面都与量子信息技术的跨学科性质有关。开发和改进这项技术需要具有不同背景人的努力：包括工程师、物理学家、材料科学家、数学家和计算机科学家。也就是说，需要有一支懂量子的工作队伍；此外，发展量子技术还涉及到量子技术本身以外的几个方面，如电磁学、低温学、微加工和计算机科学。与从事专门的量子方面工作的同事（通常是拥有量子相关课题的博士）交流的能力是至关重要的。此外，人才对量子技术的某种熟悉也是未来学习更多专业科目的先决条件。

现在，研究人员们观察到挪威高等教育中关于量子信息技术的知识缺口，并需要从数量和质量上加以填补：迫切需要开发必要数量和多样性的课程。这些课程必须是高质量的，并不断发展以反映该领域的快速进展。此外，开发和操作成功的课程需要对如何教授量子计算和相关主题有更深入的了解和经验。

目前，在挪威的大学中，获得相关课程的机会是非常有限的。虽然奥斯陆城市大学和奥斯陆大学提供了一些量子计算课程，但挪威仍有很长的路要走。幸运的是，解决量子现实问题的硕士和博士项目的数量正在增加，而且令人鼓舞的是，一般学生对量子导向的兴趣在不断增加。为了满足这种兴趣以及行业的需求，该报告呼吁：“需要更多地研究和开发如何将具有不同学术背景的学生引入量子世界。”

在过去的几年里，随着量子技术的爆炸性发展，与量子计算主题教学相关的教育挑战仍然以初级的方式处理。为了给这种类型的教育建立一个坚实的基础，并在各个层次建立强大的相关课程组合，有必要在量子计算方向进行教育研究。这样的教育研究应该旨在开发和基准化新的教学方法，以适应具有不同背景的群体，包括来自物理学、数学、计算机科学、网络安全、软件工程和其他领域的学生。为了开发关于如何使这些群体具备量子知识的最佳实践，我们需要回答几个问题：

- 学习量子计算的计算机科学学生在多大程度上需要了解量子物理学？

- 为了提出能够为现实问题提供量子优势的新型量子算法，需要建立哪种类型的直觉？

- 我们如何发展必要的理解和技能组合，以便在数字社会中纳入抗量子的安全措施？

- 软件工程的课程应该如何改变，以培养能够设计量子软件的学生？我们需要一个全新的课程，还是修改现有的课程就可以了？

- 我们如何建立适合不同教育背景的学生的量子计算的相关课程？

- 哪些技能应该在中学和高中建立，以支持向大学阶段的量子计算教育过渡？

量子物理和量子技术的概念有时被宣传为某种先进的、神秘的、无法理解的东西。那些熟悉量子技术的人，对传播量子计算是什么、不是什么、什么是炒作、什么是真实的洞察力负有特殊的责任。更广泛的教育计划和更多的量子知识将是对这种炒作最有效的解毒剂，它可以消除不合理的期望，而不减少人们在被介绍到量子世界时经常经历的自然好奇心和魅力。

根据Qureca有限公司的分析，到2022年底，全世界至少有330亿欧元投资于量子技术。这些投资的绝大部分都被用于开发量子硬件，这是实现量子计算机的愿景和这一努力中所有中间步骤所必需的。挪威在国际硬件竞赛中远远落后，而且在可预见的未来，挪威似乎不太可能在这场竞赛中发挥重要作用。这不仅涉及到时间问题，而且还涉及到在硬件研发方面开拓全新领域的巨大成本水平。

在欧洲，欧洲高性能计算联合项目和数字欧洲计划是挪威已经参与的重要相关工具。继续参与这些和未来的相关计划，包括实现这些合作努力所基于的国家贡献的期望，是挪威参与量子计算革命的一个基本要求。然而，挪威应该考虑支持开发基于其他技术的量子计算机所需的基础研究，而不是国际合作者正在研究的那些技术，特别是在挪威的研究小组或公司具有领先地位的情况下。例如，奥斯陆大学（UiO）、挪威科技大学（NTNU）和挪威东南大学（USN）都有强大的研究小组，在硬件理论方面具有专长。

经过几年以硬件为主的研究，国际量子计算界越来越关注技术发展落后的软件方面。这种讨论在欧洲也很普遍，预计欧洲相关的再研究计划的工作方案将具体解决这一差距。

加强对量子软件的强调，与挪威已经在量子计算方面有良好的基础这一事实形成了共鸣。最好的例子是Ole-Johan Dahl和Kristen Nygaard在1960年代在挪威计算中心发明和开发的编程语言Simula——这种语言奠定了面向对象编程（OOP）的基础。今天，OOP是现代软体开发中占主导地位的编程范式，一些现代的编程语言都与Simula有明显的渊源关系。在这一开拓性努力的激励下，挪威在计算机科学和科学计算方面培养了几个强大的研究小组。

有了这样的地位，挪威可以向建立和提供量子硬件解决方案的国际伙伴提供算法和软件方面的专业知识，从而实现强有力的相互合作。

量子计算机要做什么？从概念上讲，这与20世纪40年代末第一台电子通用数字计算机的编程相类似，当时人们通过将电线连接到插板上来实际构建电路。为了开发一个强大的量子软件栈、以便在工业领域创建可靠的应用程序，需要在量子软件研究中实现飞跃。

开发工业级量子软件栈的研究预计将针对不同技术抽象层的科学突破，如量子算法开发、高级编程语言、编译器、转译器、调试器、量子计算机模拟器和量子操作系统，以及支持量子软件的其他领域。这些领域包括量子信息理论、量子纠错、量子减错、容错结构等。而挪威的另一个贡献领域可能是构建量子操作系统，以有效利用量子计算资源。然而，在量子软件堆栈的较低层次的研究，如构建操作系统或编译器，将需要与从事量子计算硬件的研究小组进行紧密合作。

挪威完全有能力在北欧地区、欧洲和其他地区探索这种合作。例如，在邻国，特别是在芬兰的IQM和VTT、瑞典的查尔姆斯理工大学、哥本哈根大学和丹麦的尼尔斯-玻尔研究所，以及在这些组织的相应生态系统中，正在为建立具有研究和商业前沿能力的量子计算机做出显著努力。

作为欧洲高性能计算中心的参与国，挪威在为欧洲领先的倡议做出贡献方面也处于有利地位。其中一个例子是LUMI-Q项目，该项目将建立欧洲首批六台量子计算机中的一台。LUMI-Q项目通过Simula、SINTEF和Sigma2作为联盟伙伴的参与，在挪威留下了大量足迹。为了实现这样的国际研发合作、需要专门的资金，既要针对北欧的合作，又要满足各国对EuroHPC和数字欧洲的贡献的期望。

挪威在软件工程领域取得了重大进展的是软件的可靠性，其目的是确保应用程序的正确性、稳健性、安全性以及其他允许用户信任软件的可靠性特征。以前的研究型创新中心（SFI）——即Certus，在软件可靠性方面取得了巨大的进步，无论是在科学上还是在创新上。沿着同样的思路，对量子计算应用的软件可靠性的研究必须从现在开始，以便为未来工业界对量子计算的成功采用做准备。

如今，挪威在计算机科学领域已经有了一个强大的立足点。作为一个国家，我们可能来不及在量子计算硬件的发展中占据主导地位，至少对于基于国际上主要参与者正在研究的技术的解决方案来说是如此。过于纠结硬件的发展也会带来过高的财务成本，将国家的努力引向量子计算软件的现有发展，包括量子信息理论、量子纠错、量子减错和容错结构等支持领域，可能是非常有益的。这种以软件为中心的量子计算观点与欧洲高性能计算中心正在进行的讨论完全一致；通过成为量子软件工程的领先国家，挪威将继承面向对象编程发明的火炬。

与挪威现有的量子通信应用和软件工程研究完全一致的是，挪威有强大的信息安全研究小组在抗量子密码学领域工作。此外，挪威在通信技术软件方面也有丰富的科研环境。这是发展量子网络研究的一个很好的立足点，也是确保未来可靠、可信的量子计算生态系统的另一个方面。

挪威的量子计算研究应该在与国际伙伴的紧密合作下进行。积极参与欧盟的研究资助项目（包括对其他参与国预期的财政投资的承诺）将是成功的基础；这尤其适用于挪威对欧洲高性能计算联合项目、数字欧洲、QuantERA、欧洲地平线和未来框架计划的参与。

为了充分释放教育和研究的价值，需要将获得的能力和成果通过创新过程转化为社会和商业的价值。尽管如此，与挪威全国较低的量子知识水平相一致，目前仍有少数公司（主要是大型公司），认真尝试了解量子计算在未来能给他们带来什么。对量子感兴趣的企业的主要例子可以在能源、海事、物流和金融部门找到。但这些企业为数不多，而且相互之间距离很远。

挪威要想利用量子计算带来的预期机会，就需要增加知识和意识——不仅是对量子计算的认识，而且是对现有企业的颠覆和新企业的潜力的认识。

颠覆现有业务和创造新业务的潜力。同样，也需要更深入地了解这项技术如何能使重要的社会承诺达到全新的水平。此外，同样重要的是了解这种新计算模式的局限性。因此，挪威的倡议应鼓励与国际舞台进行广泛而深入的互动，例如，通过参与欧洲量子产业联盟（QuIC）和支持私营和公共领域的类似论坛。这应该通过将量子计算作为一个优先领域纳入现有的支持强大创新的工具，如国家研究型创新中心（SFI）的资助计划来进一步加速。此外，根据量子计算的颠覆性特点，挪威应开发结构化手段，支持企业家建立新的、以量子为动力的商业企业。

挪威周围有瑞典、芬兰和丹麦等北欧伙伴，它们在量子计算方面正在取得实质性的进展——即使以国际尺度衡量也是如此。北欧地区在研究和创新方面有着长期和成功的合作历史，包括技术基础设施。这些国家的领先机构表达了与挪威同事发展紧密合作的强烈意愿，并共同推动整个地区成为国际行为体。由于认识到计算基础设施不仅包括所需的硬件，而且还包括全方位的软件和人力专长，挪威可以将自己定位为对其他北欧国家主要由硬件主导的科研的一种补充。因此，挪威可以为北欧地区作为一个强大的国家间竞争者的愿景做出重大贡献。然而，这需要专门投资建设这种基础设施的必要组成部分，并与国家在量子计算方面的教育、研究和创新紧密结合。

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