风口中的量子技术：哪些高校是该领域的留学首选？
中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平在集体学习时强调，深刻认识推进量子科技发展重大意义，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。
习近平指出，近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。安排这次集体学习，目的是了解世界量子科技发展态势，分析我国量子科技发展形势，更好推进我国量子科技发展。
量子技术正带来重大创新机遇
量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。我国科技工作者在量子科技上奋起直追，取得一批具有国际影响力的重大创新成果。
与超级计算机相比具备压倒性计算速度的“量子计算机”、能感知极细微环境变化等的超高灵敏感度“量子传感器”、防止机密信息泄露的“量子密码通信”，最先掌握这些技术的国家有可能在产业竞争力和安全保障方面占据优势。除了中国，美、日本、欧盟等国家近年来也将量子技术开发纳入国家层面的战略，投入巨额资金。
形成人类身体和身边物质的是各种原子。而原子则是由电子、质子和中子组成。以这种微观世界作为对象的物理法则被称为量子力学。量子力学出现在19世纪末至20世纪初，曾为半导体技术发展作出贡献。现在，人类可以操控量子呈现不可思议现象，正在迎来“第二次量子革命”变革期。
以下介绍有关量子技术的核心——量子计算的一些基础概念
量子计算
量子计算运用量子力学原理来处理信息。 因此，量子计算需要的方法不同于经典计算。 这种差异的一个例子是量子计算机中使用的处理器。 经典计算机使用熟悉的硅材料芯片，而量子计算机使用原子、离子、光子或电子等量子系统。 它们使用其量子属性来表示可以在 1 和 0 的不同量子叠加中准备的位。
量子材料的行为符合量子力学定律，并且利用概率计算、叠加和纠缠等概念。 这些概念为利用量子计算解决复杂问题的量子算法提供了基础。
量子力学鸟瞰图
量子力学（也称为量子理论）是物理学的一个分支，它处理原子和亚原子级的粒子。 但是，在量子层面上，你所认为的许多力学定律都不适用。 叠加、量子测量和纠缠是量子计算的三大核心现象。
叠加与二进制计算
假设你在客厅锻炼身体。 你一直向左转，然后一直向右转。 现在，同时向左转和向右转。 你无法做到这一点（至少要将自己一分为二）。 显然，你无法同时处于这两种状态，即无法同时向左和向右。
但如果你是量子粒子，由于一种称为叠加（也称为相干性）的现象，你可能具有一定的向左的概率和一定的向右的概率 。
量子粒子（例如电子）具有其自己的“向左或向右”属性（例如被称为向上或向下的自旋），或者使其与经典二进制计算更相关，比如说 1 或 0。 当量子粒子处于叠加状态时，它是介于 1 和 0 之间的无数个状态的线性组合，但只有在你实际观察它时，你才知道它的状态，这又会涉及到我们要讲的下一种现象，即量子测量。
量子测量
现在，假设你的朋友来了，并且想拍下你锻炼身体的照片。 最有可能的是，他们拍下的照片是介于你一直向左转和一直向右转之间的某个位置的模糊图像。
但是，如果你是量子粒子，就会发生一件有趣的事情。 当他们拍照时无论你在哪个位置，照片都将始终显示向左转或向右转，而不会介于两者之间。
这是因为观察或测量量子粒子会使叠加状态（也称为退相干）坍缩，并且粒子呈现 1 或 0 的经典二元状态 。
这种二进制状态对我们很有帮助，因为在计算中，你可以在 1 和 0 的状态下执行许多操作。 但是，在量子粒子经过测量和坍缩后，它将永远保持该状态（就像你的照片一样），并且始终为 1 或 0。 不过，正如你稍后将看到的那样，在量子计算中，有些操作可以将粒子“重置”为叠加状态，因此可以再次使用它进行量子计算。
纠缠
量子力学中最有趣的现象可能是两个或多个量子粒子彼此纠缠。 当粒子纠缠在一起时，它们会形成单个系统，因此不能独立于其他粒子的量子状态来描述任何一个粒子的量子状态。 这意味着，对一个粒子应用的任何操作或过程也会与其他粒子相关。
在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系：不管它们被分开多远，对一个粒子扰动，另一个粒子（不管相距多远）可立即感知
除了这种相互依赖性，粒子甚至还可以在相距甚远的距离（甚至是光年）也可以保持这种连接。 量子测量的效果也适用于纠缠的粒子，因此当一个粒子经过测量和坍缩后，其他粒子也将坍缩。 由于纠缠的量子比特之间存在相干性，因此测量一个量子比特的状态可以提供有关其他量子比特的状态的信息，这种特殊的属性在量子计算中非常有用。
量子比特和概率
经典计算机以比特为单位存储和处理信息，比特的状态可以为 1 或 0，但不能同时处于这两种状态。 量子计算中的等效项是量子比特，它表示量子粒子的状态。 由于叠加，量子比特可以是 1 或 0，也可以介于这两者之间。 根据其配置，量子比特具有坍缩为 1 或 0 的一定概率。 量子比特坍缩方式的概率取决于量子干扰。
还记得为你拍过照的朋友吗？ 假设相机上有特殊的滤镜，称为干扰滤镜。 如果他们选择 70/30 滤镜并开始拍照，则其中 70% 的照片上的人将向左，而 30% 的照片上的人将向右。 滤镜干扰了相机的正常状态，从而影响了其行为的概率。
同样，量子干扰会影响量子比特的状态，从而在测量过程中影响特定结果的概率，而这种概率状态正是量子计算的优势。
例如，经典计算机中只有两个比特，其中每个比特都可以存储 1 或 0，因此，你可以同时存储四个可能的值（00、01、10 和 11），但一次只能存储一个值 。 但在两个量子比特重叠的情况下，每个量子比特都可以是 1 和/或 0，因此你可以同时表示四个相同值。 如果是三个量子比特，则可表示八个值；如果是四个量子比特，可表示 16 个值，依此类推。
上述概念仅仅是触及了量子力学的表面，但是对于量子计算而言，这些概念具有根本的重要意义。
量子技术领域的求学和职业发展
一位IBM研究员杰伊•甘贝塔（Jay Gambetta）观察到，随着量子技术的发展，该领域的就业和研发的机会日益增多。然而，需要在这个目前炙手可热的领域占据一席之地，我们究竟得需要具备哪些基础知识？
巴塞尔大学的博士研究员戈萨（Debdeep Ghosal）指出，大家需要了解的是，量子计算与数字计算截然不同，前者基于晶体管并利用态叠加原理对量子比特（而不是二进制数字）进行编码。一言以蔽之，在这个全新领域，量子力学和计算物理外加整数分解这样的算法知识大有裨益。
基础学科知识储备
在这方面，强烈建议充实量子力学基础知识，达到更高水平后，应学习量子信息与AMO（原子分子和光子物理）叠加部分——密度和高能物理学。
在数学方面，应充实线性代数和概率论知识。此外还必须学习群组与表征理论、随机矩阵理论与泛函分析。
计算机科学：在这方面，信息理论、机器学习、代码纠错、代码优化和复杂度等课题的重要性不容忽视。
其他必备知识
以下为投身量子领域所需的一些必备知识：
基础量子力学；
线性代数；
基础群组理论（一般而言即抽象代数基础）；
傅里叶变换；
和基础算法及算法分析。
对有志于研究量子信息理论（量子技术的子课题）的学生，基础理论知识储备还包括概率论和经典信息论。此外，一名红迪（Reddit）论坛用户指出，基础量子信息处理、量子噪声建模和量子代码纠错方面的知识同样必不可少。
必备专业和技能组合
最为理想的是具备或匹配以下技能组合：
三个不同专业有助于在量子计算领域开启职业生涯。举例而言，如果学生的兴趣在于构建量子计算机，物理专业如虎添翼。注重计算机理论科学的物理专业将有助于设计量子计算机的算法。如果有意研究量子力学，一个计算机科学主修专业并辅修数学（注重研究抽象线性代数）则是必备基础。综上所述，我们可断定，在该领域计算物理学和量子力学方面的知识至关重要。
顶尖量子计算研究高校
世界范围内，量子技术研究水平最高的12所研究型大学如下：
量子计算研究所，滑铁卢大学
在很多高校尚未开设量子计算课程时，位于加拿大的滑铁卢大学就全力以赴投入该领域，并获得不菲回报。黑莓（Blackberry）创始人拉扎里迪斯（Mike Lazaridis）早在2002年就开始资助该研究所。他还支持设立滑铁卢大学的理论物理研究所，这也是一所重要的量子科学研究机构。
滑大量子计算研究所
滑大量子计算研究所聘用约296名研究人员，创立至今发表1500多篇研究论文。该所一个强项在于将卓越的学术研究与企业家自驱精神相结合，推动技术的产业化。
牛津大学
牛津大学在量子领域具有悠久历史。早在1985年，首位准确描述通用量子计算机的科学家即为来自牛津的大卫·多伊奇（David Deutch）。第一台纯液态核磁共振量子计算机在牛津大学和约克大学进行应用展示。牛津大学至今依然是量子科学领域领军机构。
按照牛津大学的说法，该校由于其巨大潜力而投入量子研究。“量子计算具备的潜力足以改变我们生活的方方面面，包括医疗、金融和安保。牛津无论在理论、技术还是负责任创新等方面均处于领导地位，确保这一强大的力量造福整个社会”
哈佛大学，哈佛量子计划
哈佛大学表示，哈佛科学和工程量子计划（HQI）是“一个对推动科学和工程量子体系及其应用具有浓厚兴趣的研究人员社区”。其愿景在于协助科学家和工程师探索将量子理论转化为实用系统和设备的全新方法。”
HQI是量子计算研究的领军机构。图为哈佛物理学教授卢金（Mikhail Lukin）及其团队展示的量子计算机
该组织表示，我们即将在第一次量子革命基础上迎来“第二次量子革命”，前者催生GPS导航、全球通信以及核磁共振等医学突破，HQI成员严阵以待第二次量子革命的到来。
麻省理工学院，理论物理中心
麻省理工学院是一个规模庞大的研究机构。目前，该校已经深入量子计算和量子信息领域。该校在理论物理方面的强大实力正转化为量子信息和量子计算优势。除了制备量子计算机，该校研究人员还在探索量子算法和代码复杂度、量子信息论、测量与控制以及相关应用及相互关联。
新加坡国立大学和南洋理工大学，量子技术中心
设立该中心目的在于将物理学家、计算机科学家和工程师汇聚一起，投身量子物理学基础研究，并制造基于量子现象的各类设备。量子技术这一新兴学科的专家正在将其成果应用于计算、通信和传感领域。
量子技术中心的研究员巴雷特（Murray Barret）及其团队
加州大学伯克利分校
伯克利量子信息与计算中心囊括化学、工程和物理学院研究人员，投身于研究量子算法、量子解码、量子信息论、量子控制、以及量子计算机和量子设备的实验实现等基础课题。
马里兰大学——联合量子研究所
联合量子研究所带领马里兰大学物理系、全美标准与技术研究所（NIST）和物理科学实验室（LPS）的量子科学家。每个机构均引入致力于实现控制和利用量子系统目标的主要实验和理论研究项目。
中国科学技术大学，量子物理与量子信息系
中科大量子物理和量子信息系专业研究量子光学和量子信息领域，该系所列出的主要研究方向如下：量子基础、光纤量子通信、自由空间量子通信、量子存储和量子中继器、光量子计算、超导量子计算、超冷原子量子模拟、量子计量学及相关理论。研究人员还搭建先进的实验平台开展前沿研究。
芝加哥大学芝加哥量子交易所
芝加哥量子交易所（Chicago QuantumExchange, CQE）是美国中西部量子研究的知识汇聚中心。该所集中一批有志于努力推进量子信息科学和工程的研究人员，旨在促进量子信息技术探索和创新应用发展。CQE尽力促成成员单位及合作机构的研究小组之间的互动，并提供各种发展途径和扶植合作共建、联合项目和信息交换。CQE成员单位集中精力研发全新方法来理解和利用量子力学的规律，这些最为基础的规律尽管有违直觉，却从最小尺度上支配着自然界。其终极目标在于运用创新研究成果开发新一代设备、材料和计算技术。
芝加哥量子交易所
悉尼大学，澳大利亚
悉尼大学的量子科学团队专注解决量子物理学最具挑战性的问题，并利用这些见解构建新技术。该校研究活动包括基础物理、量子信息科学和技术拓展，并涵盖原子和高分子物理系统。此外，深度行业渗透和创业活动也对该校科研工作发挥了相得益彰的作用。
慕尼黑大学，量子应用与研究实验室（QAR-Lab）
对该实验室而言，让学生为量子技术的未来做好准备至关重要。QAR-Lab希望量子计算能够实施比以前更为复杂的操作，并在更短时间内找到传统问题的解决方案。这个位于慕尼黑的研究团队计划通过运行量子计算机程序，利用量子计算的无限可能解决现实生活中的具体问题，包括路径规划和机器学习。
因斯布鲁克大学（奥地利），量子信息与计算系
因斯布鲁克大学量子信息与计算系的科研人员研究量子信息处理模型和量子信息理论的基础面。他们的研究重点是基于量子计算的测量理论，该理论让人们从全新角度、更为深入地理解生成于多体纠缠的资源、以及量子通信、量子纠错、和量子算法应用。此外，科研人员还研究生物分子系统、相对论系统中的量子现象。
此外，按照U.S. News专业排名，全美十大量子物理（Quantum Physics）顶尖强校如下：
结语：
IBM研究员甘贝塔为量子技术专业学子列举了一系列工作岗位和入职途径。类似IBM、微软和谷歌这样的科技巨头，为该领域的开发者、工程师和研究员指明清晰的职业路径。不少量子计算领域的顶级岗位可供学生们争取，其中热门岗位包括量子计算架构师、量子算法研究员和量子软件开发人员。在该领域，入门学位是硕士，很多顶级雇主寻求该领域的博士。事实上，该行业巨头（如D-Wave、IBM和谷歌）总是希望找到那些在架构搭建和研究测试量子算法方面具有经验丰富的物理学家。
参考资料：
https://thequantumdaily.com/2019/11/18/the-worlds-top-12-quantum-computing-research-universities/
http://www.xinhuanet.com/politics/2020-10/17/c_1126623288.htm
https://www.usnews.com/best-graduate-schools/top-science-schools/quantum-physics-rankings
https://analyticsindiamag.com/quantum-computing-understanding-its-learning-path-and-career-choices/
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作者：海哥，本文经授权转载，版权归属作者所有。
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