QED-C正在带领美国量子技术走向产业化

光子盒研究院出品

建立量子信息科学(QIS)产业是Celia Merzbacher作为量子经济发展联盟(QED-C)执行董事的工作。QED-C根据2018年《国家量子倡议法案》设立，并由NIST和国家量子协调办公室广泛监督。

Merzbacher是一位材料和纳米技术科学家，她将研究、商业和政府经验紧密结合在一起。“这对我来说是一份完美的工作。”她说。

在白宫科技办公室，她负责监督国家纳米技术计划；她还担任过总统科技顾问委员会(PCAST)的执行主任；在橡树岭国家实验室，她是战略和机构规划主任；在半导体研究公司，她是负责创新合作的副总裁；2021年，Merzbacher被选为AAAS(美国科学促进会)会士。

Celia Merzbacher

促进量子计算的发展只是QED-C使命的一部分。了解整个量子领域的技术和商业需求并加速其进展是他们的主要目标。最近，Merzbacher与HPCwire谈论了相关挑战和机遇。以下是采访的部分内容，涵盖了技术瓶颈、劳动力问题、治理和协调挑战以及QED-C的近期优先事项。

HPCwire：让我们从QED-C的背景开始。

Merzbacher：首先，我们不仅仅是计算。我们真正关注的是第二次量子革命的所有应用。2018年国家量子倡议法案要求NIST建立一个利益相关者联盟——QED-C。我们从NIST获得了启动资金，但我们其实是由行业驱动的。今天，我们有大约200名非政府成员，主要是企业，因此大约有150多家各种规模、来自量子生态系统的各个部分的企业，或者称之为供应链。这包括测量能力、设备、激光器或电子设备和其他非量子但支持量子技术的二级和三级供应商，

你可以在我们的网站上看到我们所有的现有会员：IBM、谷歌、微软、亚马逊等。当然，这些公司不是纯粹的量子公司，他们内部都有量子部门。所以我们所有的成员在某种意义上都有点像一家小公司。我们也有像德勤、博思艾伦这类的咨询公司。

HPCwire：近年来，量子生态系统急剧扩大。QED-C的任务是什么？你如何执行该任务？

Merzbacher：我们的使命是推动和发展量子产业。QED-C是一个非常自下而上的组织。它非常精简，我们有许多委员会，成员们聚集在一起开展活动。包括用例委员会、了解市场和应用到这些市场的规模，技术的准备程度以及需要时间。总的来说，我们有很多关于事物在哪里以及它们要去哪里的信息，但我们还没有所有的答案。在内部，有很多信息被共享。我希望随着时间的推移，我们将能够发布更多经过消化的文档，以帮助公众和社区获得可靠、可信的信息，这些公众和社区有时会想：这只是炒作吗？我还不明白。它要去哪里？

我们有能力帮助教育和解释。随着时间的推移，我希望我们可以通过我们正在做的用例工作做到这一点。例如，最近举办了一个研讨会，该研讨会即将发布关于面向电网的量子计算的报告。这是一个有趣的用例；让我们深入研究一下，并聚集到那个可能不是量子专家的社区，看看量子如何在他们的领域发挥作用。有一个委员会专注于使能技术，我们在低温空间、激光空间、电子空间以及许多不同的非量子技术中进行了深入研究并制定了一些路线图，这些技术在用于量子应用。例如，当今并没有真正满足这些规格的现成激光器或电子设备。许多公司要么自己测试，要么自己修改，有时自己制作。坦率地说，存在一个很大的供应链问题，我们正试图找出这些鸿沟，以便填补它们。

HPCwire：就您关于供应链的观点而言，与美国能源部(DOE)工作的重叠很有趣。我最近与橡树岭国家实验室的量子研究人员进行了交谈，他们正在做的事情之一是尝试开发更有效的单光子源，这将在量子网络中有用。

Merzbacher：如果你访问我们的官方网站并在登录页面上向下滚动，会出现一个按钮，上面写着TAC(技术咨询委员会)……您可以看到所有不同委员会的描述。

HPCwire：在HPC(高性能计算)社区中，对量子技术的态度各不相同。少数人很兴奋，大多数人认识到长期潜力，但部分人对一连串的承诺变得有点麻木了。你对瓶颈有什么看法？你认为阻碍进步的因素是什么？

Merzbacher：正如您在评论中所指出的，量子的各种利益相关者，瓶颈在整个堆栈上下都有。因此，如果你谈论的是导航系统的传感能力，那么它的技术瓶颈和要求与IBM的超导量子计算机不同。而且IBM的超导量子计算机与Quantinuum的俘获离子系统有不同的瓶颈。这真的是一个广阔的领域。

我要说的另一件事是，与此同时，所有这些活动都在私营部门进行，公共领域、政府项目以及将要投资的项目也在进行中。例如，橡树岭或NIST。因此，这些投资需要了解私营部门的情况以及行业的需求。这就是QED-C通过在我们进行深入研究的研讨会上进行这些差距分析而发挥相当重要作用的地方。我们在单光子源和探测器上做了这方面的工作。与其说技术要求是什么，不如说是在那之前的一步；事实证明，对于如何测量和表征这些光源甚至没有达成一致意见。而且橡树岭永远不会成为任何规模的光源和探测器的制造商。他们是研究机构，他们试图突破能力的界限。

因此，这是与你的标准电信系统有着非常不同的要求。你需要真正有独特的方法来表征、测量和指定技术，而这甚至没有达成一致。因此，我们谈论的很多内容是对标准的需求，但不是最终标准，只是描述单个光子源或探测器的标准语言。这是一个商业问题，而不是一个真正的基础研究问题。QED-C试图连接基础研究人员的世界，以及他们正在做的事情，这正在推动科学的边界，以及那些试图弄清楚如何将其转化为商业的人们。

HPCwire：好的。QED-C如何自我管理？

Merzbacher：我们有一个由会员选举产生的成员组成的指导委员会。我们从政府那里得到少量的资金，但我们不是政府机构，我们不受政府控制，我们受成员控制。我有200个老板。指导委员会有四名小公司代表和三名大公司代表。小公司有意占据更多席位，政府机构有两个席位。如今，后两个席位恰好来自NIST和能源部。我要指出的是，QED-C实际上甚至不是法定的东西，它实际上是由SRI管理的，所以我在SRI International工作。

HPCwire：我没有意识到SRI参与其中。

Merzbacher：是的，它代表会员和政府管理联盟。

HPCwire：相对而言，QED-C还很年轻。你如何衡量自己的进步？今年和明年的里程碑是什么？

Merzbacher：这很有挑战性。从某种意义上说，我们做了很多行业协会所做的事情，我不知道他们如何衡量他们的进步。我们不是一个游说组织——这是一条明线，因为我为SRI工作，它做了大量的政府合同工作。所以我们不游说，但我们可以教育。我们当然是要对政府决策者进行有关行业方面正在发生的事情的教育，以便他们做出明智的决定。这意味着我们去教育专利局的审查员，或者会见国防部或能源部或国家科学基金会的项目经理，并说，“嘿，这方面缺乏基本的了解。除了你做的所有其他事情之外，这是这个行业希望政府涵盖的基础研究。”

我们还为我们的小型会员公司提供了很多帮助，只是帮助他们理解作为一个企业，他们需要了解一些事情。其中一些并不是量子的。例如他们需要了解在签订政府合同时什么样的合规性是重要的，或者向他们指出资金机会并帮助他们找到实习生或暑期工作，因为我们也有大学成员。我们将大学的学生与有工作的公司联系起来。我们做了很多不同的事情来试图解决瓶颈。我们还在基准和标准领域开展工作。高性能计算有一些长期使用的基准。如何衡量当今量子计算的进步？我们也有人开始在这个领域做一些工作。

HPCwire：QED-C发布了什么报告？你是否需要(至少向NIST)提交年度报告或季度更新？那些是公开文件吗？

Merzbacher：我们经常与NIST会面。我们在SRI和NIST之间签订了合同，因此有报告要求。我们提供给NIST的文件是不公开的，但我们确实公开了一些材料，这是一个典型的会员制组织。会员付费成为会员并因此获得一些好处。我们的一些报告只在成员之间共享，一些像我们最近发布的一样公开，这实际上可能是有趣的，是对硬件和软件与量子计算机之间的中间表示或抽象层的要求。我们举办了一个研讨会，对此进行了深入探讨。这份报告是我们决定公开的，因为我们希望全世界都在思考，如何在许多不同的硬件上运行不同的软件。

这是我们发布的报告的一个例子。去年秋天，我们还推出了一本名为《量子安全组织指南》的文章。它更多地针对我所说的长期备受煎熬的首席信息官，负责公司IT系统的安全；他们听说过量子计算，但不确定它何时到来以及他们需要担心什么。我们发布了一份报告，试图教育担任这些角色的人，量子计算的威胁是什么，以及他们今天应该思考什么来做准备。这是量子计算的一个特殊方面——它有可能破解加密。

HPCwire：我们还没有过多地谈论量子信息科学何时开始带来具体的好处。在量子计算中，竞赛是在NISQ(含噪声中等规模量子)计算机上实现量子优势。你怎么看？

Merzebacher：我认为量子优势是每个人都兴奋和渴望看到的，它具有挑战性，原因有很多。要构建足够强大的量子计算机需要克服一些非常大的问题。你在所有方面都有问题：比如量子比特的质量、它们的保真度和它们的连通性。然后你就会遇到纠错、环境控制和扩展方面的问题。如果我不得不说，扩展是未来一两年内最大的问题。即使你可以在实验室中展示某些东西，并且你已经获得了很棒的成果，你如何将其投入制造并扩大规模？

另一个问题是，由于现有的高性能计算不断进步，你的目标也在不断变化。当你要进行这种交叉时，很难预测未来。实验室里的人，在橡树岭这样的地方，比我更专业，他们说量子计算将像一个加速器，就像GPU是一个加速器一样。现在我们将使用量子处理器作为加速器。他们在思考，至少在某种图解的层面上，某种混合系统。但对我来说，这提出了另一个问题，无论是物理架构，特别是如果你要在低温下使用量子处理器，它将在物理上与其他处理器分开。

一个更难的问题，也许是量子计算机允许你以不同的方式提问，对吧？它们不是基于数字二进制的经典计算机的直接替代品。这是一种解放，因为你可以做新的事情，但也非常困难，因为我们对计算机科学的整个思考方式都是基于数字的。现在突然之间，你必须以一种完全不同的方式提出问题，一种概率性的方式，在我看来，你不能只是将经典计算机和量子计算机混合起来。从长远来看，如果你打算做的是某种混合架构，那么会有很多棘手的计算机科学问题。

HPCwire：HPC中的主流观点似乎是，量子计算机将成为解决特殊问题的一种加速器。但回到实现量子优势的时机。IBM曾表示，2023年将是它通过约1000量子比特系统提供量子优势的一年。你有什么看法？

Merzbacher：我想这取决于终点是什么。IBM已经发布了你所说的路线图。这会带来什么？例如，我认为没有人认为这将是破解加密的计算机。当然，它会有一些能力。但它是否会被证明足够强大，足以成为化学工业或有计算难题的人们的一种颠覆性的实际用途，尚不清楚。我认为现在是IBM和其他公司探索这些机会的好时机。

我还听说云安全联盟(CSA)最近更多地考虑安全方面，发布了一些东西，说是Y2Q——我们需要在2030年或2031年左右进行新加密的时刻。所以他们在想能够破解加密的真正强大的计算机仍然需要将近十年的时间。但这比你想象的要快，因为迁移到新的加密标准需要数年时间。

HPCwire：当然，NIST有其后量子计划来帮助开发能够防止量子攻击的公钥加密标准。

Merzbacher：对。该计划已经进行了一段时间，并且正在取得进展。我认为他们在一年左右的时间内有一个选择新标准的目标。考虑到银行、关键基础设施以及所有不同的系统需要很长时间来调整，这有点及时。他们都将不得不迁移到一个新的加密标准，这将需要相当长的时间。而且我认为它是一项长期工作，因为你的嵌入式系统不容易升级，它们对一个安全的世界非常重要。我们非常依赖发送和接收信息的能力。

HPCwire：你觉得我们什么时候会在实际使用中看到一些不是面向安全的应用？一些量子公司表示，他们所需要的只是能够生成一些“更好”的随机数，并有选择地将它们注入在传统系统上完成的算法中以获得更好的结果。

Merzbacher：我不会感到惊讶。我不会感到惊讶。我觉得我必须在所有东西前面加上一个大的免责声明。但是正如你所指出的，现在活动的强度非常大。不知道你有没有去Q2B会议。去年12月，他们第一次举行了面对面的会议。每年都在圣克拉拉，这是量子计算的家庭聚会。他们非常积极和乐观，但看起来他们更加具体，正在取得真正的进展，而不仅仅是空想或假设。它开始感觉就像是在那种三年的时间范围内，真正的应用程序、产品和功能将在手边。

HPCwire：你提到了QED-C的标准和基准测试工作。世界其他地方将如何了解你正在从事的工作？

Merzbacher：所以，有几件事。一是我们正在研究一部分基准和标准；我们不是一个标准制定组织。但这些讨论需要更加开放和包容。我的意思是，这就是标准开发组织非常具有包容性的原因。我们在GitHub上放了我们的基准测试工具，任何人都可以去使用它。QED-C在某种程度上具有包容性。我们欢迎来自美国的会员，我们最近刚刚向来自与美国最亲密盟友的选定国家的会员开放。我们现在向来自英国、澳大利亚、日本、北欧国家、荷兰、加拿大的公司开放。

我刚从欧洲旅行回来，人们对QED-C很感兴趣，这有很多原因。第一个是：世界范围内肯定有令人兴奋的发现研究。像英国这样的地方确实是量子研发的温床。他们拥有所有这些初创公司。这些公司希望进入大市场，当然，这意味着美国和其他地方都想成为Q-EDC的一部分，这样他们就可以接触到客户并掌握自己的命脉。因此，对于这些志同道合的国家和地区之间的合作有很大的兴趣，即使他们可能不会在所有事情上达成一致。

HPCwire：你近期要做的事情有哪些？QED-C将关注什么？

Merzbacher：一个是供应链，需要更好地理解它。但这不是现成的东西。我们正在花费一些时间并与其他人合作，以更好地了解全球供应链和整个生态系统，因为如果看起来存在弱点或鸿沟，你可以通过这种方式加强它。

我们一直在努力了解这个行业的劳动力需求。缺乏熟练的工人，特别是技术人员，不仅是高级学位，而且一直到实验室里你想要的人。新冠疫情一直具有破坏性。今天我接到一个电话，有人说：“现在人们都想在家工作，很抱歉，但是我需要有人来实验室做东西。”这种员工很短缺。

我们正在努力向学生宣传，你不一定要获得物理学博士学位；如果你是一名软件工程师，或者如果你是一名光学人员，有很多机会，也许你需要上一门课或类似的课程，但是需要的技能是多种多样的。这是我们继续努力的一个领域，即使在特定的机会上，我们也要努力把人们联系起来；告诉我他们需要什么样的实习生，我会帮你联系一个合格的学生。

所以供应链、劳动力、整个基准测试和找出需要什么。“标准”这个词其实并不合适。但我们还没有真正处于需要互操作性标准本身的阶段，而且我们需要商定的规范、指标和基准。这确实是我们使用许多不同技术的阶段。你提到了单光子源，这是一个例子。关于低温问题，我们也听到了同样的话。目前还没有真正了解某些材料在低温下的特性。你将在毫开尔文温度下放置一些东西并期望它执行。那么，我们需要了解这些材料在这些温度下的行为方式。其中一些是美国能源部实验室或大学真正能够解决的基本材料问题。我们正在尝试将能够回答这些问题的人与提出问题的人联系起来。

HPCwire：感谢您抽出宝贵时间。

参考链接：

https://www.hpcwire.com/2022/03/29/merzbacher-qa-deep-dive-into-the-quantum-economic-development-consortium/

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