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光子学人才将弥合量子鸿沟
光子盒研究院
第二次量子革命的萌芽期已经到来。一个世纪以来对量子力学的研究和建模定义了第一次革命。但今天，我们正在越来越精确地利用这些力学，在传感、计时、通信、加密和计算领域推出颠覆性的应用——而这通常是在光子学的帮助下。
尽管推动这场革命性斗争的技术尚未成熟，但它们正吸引着政府和私人机构的极大兴趣和投资。尽管对量子产业的市场预测并不一致，但它们仍在继续推动这一势头。所有迹象都表明，近期将出现两位数的增长。这对投资者来说是个好消息，但对招聘经理来说却不是，因为他们面临着工人稀缺的问题，无法满足该行业的需求。
量子经济发展联盟(QED-C)技术顾问委员会成员、《量子计算报告》(Quantum Computing Report)主编道格·芬克(Doug Finke)认为，阻碍行业发展的最大因素可能是合格工人的稀缺，“因为这是一个如此新的领域，所以真的很难找到人”。
ColdQuanta公司量子元件总经理尼尔·安德森(Neil Anderson)也有同感。他表示，精通原子分子光学、玻色-爱因斯坦凝聚物、复杂的光学机械设计以及工程和组装等概念的人才非常稀缺，这使得招聘工作充满挑战。
在过去的一个世纪里，物理学家们一直在探索量子力学的原理。下一个挑战是教育、招聘和雇佣量子人才，将这些科学原理转化为有价值、可制造和可扩展的解决方案。一个集成了数千个量子器件的硅晶圆体现了所谓“量子2.0时代”的到来，工程师和制造商正与物理学家合作，将基础量子科学转化为有价值、可制造和可扩展的解决方案。
使问题更加复杂的是，许多量子应用对国家安全具有重大影响，而从事此类敏感项目往往需要候选人获得安全许可或通过居住和公民身份方面的障碍。这促使一些国家将有关量子劳动力的讨论提升到国家层面。例如，美国、中国、英国、欧盟以及印度和韩国等崛起中的大国都为各自的本土产业投入了大量资金，尤其关注计算、加密和网络领域。
描述这些举措的政府报告中始终包括加强劳动力的措施。美国国家科学技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会负责协调2018年《国家量子倡议法案》的相关工作，小组委员会曾发布的一份报告显示，该领域目前产生的职位空缺超过了其所能提供的岗位。
报告作者说：“在规划人才培养时，必须注意教育和培训的必要时间表。”虽然该行业仍处于新兴阶段，但确定教育和培训量子劳动力所需的课程是一项挑战。报告称，就目前而言，对合格人才的短期需求可能将由应届毕业生和转入相关领域的职业生涯中期工人共同填补。
“进入QIST就业的大部分劳动力可能来自计算机科学与工程、电子工程、材料工程和其他密切相关的领域。迄今为止，仍然缺乏针对特定行业的学术途径。”
QED-C的一项研究发现，人们更一致的看法是需要掌握特定技能的工人，而不是需要拥有特定学位的人：这说明了量子技术的跨学科性质，也说明了有必要开发教育途径，培养人们与各领域专家密切合作的能力。
“从事量子工作并不一定要拥有物理学博士学位。”芬克说。他表示，虽然英特尔公司的芯片设计人员最好对所有知识都了如指掌，但学习量子技术基础知识的补充课程可以弥补理解上的差距。
ColdQuanta公司的人才招聘主管杰夫·乔伊也承认，与那些拥有深厚技术知识的员工相比，拥有量子学科实用知识的员工可以发挥更大的团队协同作用。该公司的员工倾向于与拥有不同学科经验的同事一起工作，这使得对量子原理的广泛理解更有帮助。
匹兹堡大学物理学杰出教授钱德拉莱卡·辛格(Chandralekha Singh)认为，量子技术语言的规范化也至关重要：“我们需要找到一种大家都能理解的共同语言。”
——有了正确的词汇，光学和光子学专业的学生和工人就能将可迁移的、高度相关的知识和技能带到量子学科中。
QED-C量子市场的主持人马克·维皮希(Mark Wippich)说：“我认为，随着（该行业）开始发展，这对光子学人才来说将是一个非常积极的利好。”
Excelitas公司的工艺科学家马修·波斯纳(Matthew Posner)也赞同，尽管光子技术在量子领域几乎无处不在，但光子技术仍倾向于被忽视。他说：“目前，我们在编程领域所看到的曝光率并不高。”
对于光子学专业人士来说，了解一些跨学科的量子技术是有用的，但这可能还不足以让他们一鸣惊人。物理评论教育研究》(Physical Review Education Research)杂志曾在2020年对业内公司进行了一项调查，近90%的受访者表示，他们重视编码技能以及统计模型和数据分析方面的经验。
光子学技术是大多数量子计算系统的关键推动因素，无论其运行是依靠光子还是冷原子作为量子比特。然而，光子学原理知识也能为求职者在其他量子领域（包括量子传感和通信领域）带来竞争优势。
波斯纳说，除了编码技能，光学入门对于当今的量子专业人员来说也是必不可少的。例如，理解偏振等概念的能力非常有用，对仪器的掌握也是如此。他说：“能够将电子设备与光子系统连接起来，使这些非常微妙的测量变得有意义，也是非常需要的。”
光子学专业知识对量子产业非常宝贵，因为它几乎涉及所有量子应用。激光器、光源、探测器和光学技术在量子技术中都有应用——甚至超出了人们更熟悉的例子，如光学计算，其中单光子是量子比特的首选。不那么明显的是，基于捕获离子的光量子计算平台也广泛使用激光和光学探测器来促进计算。
由于大多数量子技术仍处于发展阶段（或者用一个更专业的术语来说，它们的技术就绪程度较低），该行业的许多公司、尤其是初创公司，在很大程度上依赖于受过研究生水平研究培训的员工。然而，随着这些公司准备进入市场，这种员工状况将需要改变。
芬克说：“在过去几年里，我看到的总体趋势是，该行业已经真正开始从注重研发转向注重商业化。如果你回顾五年前，他们寻找的空缺职位中，物理学博士所占的比例要大得多。”
芬克的新闻和咨询网站Quantum Computing Report上有一个量子信息科学领域的招聘栏。他说，有些职位已经发布了六个月到一年。
据光学计算公司Lightmatter的招聘经理Angela Bertolini称，她的公司通常更青睐拥有博士学位和研究经验的求职者。当需要如此高水平的专业知识时，快速填补职位空缺是一项挑战——2022年5月，该公司有20个职位空缺。
“当我们的招聘获得批准时，通常是那些拥有一些先前的知识——换句话说是一些有经验、能够立即投入工作的人。现在，随着我们的发展，我认为这将使我们有机会招聘更多不同级别的人员。”
量子工程师的金字塔
光子学行业的大多数企业都知道，合格的光子学专业人才同样供不应求；然而，这一问题在邻近的量子领域更为严重。NSTC报告称，高中生甚至本科生接触量子相关主题的机会有限。报告称：“随之而来的认识不足会让有才华的高中生和本科生转向其他方向。”
Excelitas公司的波斯纳(Posner)在公开演讲中经常会问：“谁听说过光子学？”举手的人寥寥无几。
大约在2012年，波斯纳在攻读研究生和研究生院期间，从事了与光子学和量子教育相关的推广工作。他说，从那时起，他就注意到围绕教育和培训的对话中有一个重复的主题。
“我的痛点是，教育者和培训者所做的工作没有得到足够的认可。”
2020年，国际光电工程学会(SPIE)推出了自己的量子教育和培训研究专栏。波斯纳和Synopsys公司的技术营销总监格鲁特·格里高利(Groot Gregory)一起担任该专栏的编辑。
波斯纳表示，SPIE出版物将收录的大部分研究成果以前都曾在会议论文集上发表过、或在arXiv等在线档案中提供过。“在这方面有很多非常好的工作正在进行，但人们仍然不知道。”
多年来，量子教育新方法的开发工作也一直在进行。例如，匹兹堡大学的本科量子证书项目提案引用了辛格2007年与他人合写的一篇论文，题为“提高学生对量子力学的理解(Improving students’ understanding of quantum mechanics)”，该论文发表在《美国物理学报》上。
波斯纳说，当时针对招生和课程开发提出的许多解决方案仍然可行。“让我们回过头来看一看，让我们在这次讨论的基础上相互学习、相互借鉴，并开始认可他人的工作，而不是在这些圆桌会议或论坛上兜圈子，说‘我们不知道自己在做什么’，而人们正在努力给你答案。”
要想在明天收获一批合格的毕业生，教育行业必须从今天就开始在中学播种。这意味着要经常并尽早吸引学生学习科学、技术、工程和数学(STEM)学科。
几十年来，科学界一直在努力吸引更多的学生学习STEM。但这一直是一场艰苦的战斗。美国物理学会(American Institute of Physics)收集的数据显示，只有不到一半的美国高中生选修过物理课程。
辛格曾任美国物理教师协会主席，她说：“美国有27000名物理教师，其中只有不到45%的人辅修过物理。”
除了在匹兹堡大学担任教职外，辛格还是与白宫科技政策办公室和国家科学基金会合作发起的国家Q-12教育合作计划的联合首席研究员。简而言之，该伙伴关系的目的是让更多的学童对量子概念产生兴趣。
她说：“我们在全国Q-12合作伙伴关系中的目标之一是在50个州都有代表。这是一个理想的目标，但我们正在让教师思考这些问题，并将量子纳入K-12阶段的教学。”
早期引入是Q-12的首要目标，这一点至关重要。这也有助于实现NSTC计划的另一个目标。辛格说：“首要挑战是培养一支更加多元化的量子技术人才队伍，让所有希望参与这一领域的美国人都能参与进来。”
“这是一个全新的领域。量子汇集了来自不同工程背景、计算机科学、物理学、化学等所有学科的人，对吗？我们有机会创造一种新的文化。”
2004年发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究表明，来自不同背景的小组比由同质背景的优秀个人组成的团队更有效地解决问题。
辛格说认为，现在是一个很好的时机，可以确保我们不会因为大量人才被排除在外而失去他们的才能。
“如果我们尽早开始，”辛格说：“我们实际上就能让来自不同背景的学生对这些技能感到兴奋，并说：‘是的，我真的想成为这一领域的领导者。我真的想在这个领域有所作为’。”
尽管对年轻一代的关注可能会满足未来对劳动力的需求，但现在的需求又如何呢？
关于长期和短期量子劳动力需求的数据很少，而且关于需要哪些学位和专业来帮助确保学生在该行业找到工作的共识也很有限。不过，对企业领导者的调查表明，他们对行业所需的技能和能力有一定的共识。
许多课程和项目可供希望进一步了解量子行业的专业人士选择。芬克和 ColdQuanta 都指出，麻省理工学院的XPro计划是一个不错的选择。
英国量子资源和职业公司QURECA 在2022年发布的一份研究报告中提到了“电气和电子工程师协会量子计算教育劳动力发展计划”，该计划提供量子技术各学科的课程。该研究还提到了微软、加州理工学院和Alphabet X之间的一项合作，其目的是在网络教育平台Brilliant上发布一门基于测验的量子计算课程。
通过采用与Q-12类似的方法，可以向中级职业人士传授量子知识。波斯纳认为，游戏化作为一种教学方法已经显示出了前景。他说，QuantTime是Q-12在2022年5月推出的一项游戏计划，也给人留下了深刻印象。
QURECA的研究还提到了QPlayLearn——这是一个由量子研究人员和专业人士设计的在线学习平台，它利用游戏化来教授量子技术概念，“同时又不放弃科学的正确性”。
虽然从商业化和研究的角度来看，有限的劳动力存在问题，但确实带来了市场机遇。
芬克说：“现在有很多关于量子的开放式教育。我认为，随着我们继续努力，将会有更多的机会。”
缺乏合格的量子工作者也为行业组织提供了一个机：可以引导讨论，并创建一个更有组织、更一致的招聘方法。波斯纳说：“这正是一些大型组织可以介入并帮助协调讨论和相互学习的地方，以便能够继续开展对话并分享整个行业的最佳实践。”
参考链接：[1]https://www.photonics.com/Articles/The_Second_Quantum_Revolution_Needs_Reinforcements/p5/vo211/i1361/a68163[2]https://www.aip.org/statistics/reports/high-school-physics-overview-19[3]https://journals.aps.org/prper/abstract/10.1103/PhysRevPhysEducRes.16.020131
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