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量子计算机的硬件往往备受关注，但在悉尼科技大学（UTS），研究人员正专注于开发驱动这些机器的程序和算法——并将彻底改变我们所知的计算方式。
量子计算的概念自20世纪80年代初便已提出，当时物理学家首次提议建造由量子位驱动的机器。这种设备的潜力在于能够进行人类思维难以理解的复杂精细计算。
这一愿景吸引了全球关注，各国政府、私营企业和初创公司竞相成为首个开启新计算时代的先驱。
“这需要阿波罗计划般的规模和资源，”悉尼科技大学（University of Technology Sydney, UTS）量子计算教授、量子软件与信息中心（QSI）副主任克里斯·费里（Chris Ferrie）表示。
如同引人注目的大型火箭，量子计算的幕后故事——开发推动机器运行的重要程序和系统——直到最近才逐渐揭晓。类似地，人们对量子硬件的构建兴趣浓厚，但软件领域至今仍默默耕耘。
然而，随着量子应用从理论迈向实践的呼声渐高，费里和他的团队正通过构建人工智能、机器学习和软件系统，为量子时代赋能。
费里 (Ferrie) 来自加拿大，少年时期翻阅《大众科学(Popular Science)》时首次对量子计算产生兴趣。他读到一篇关于这种新型计算机的文章。
“我记得文中提到计算发生在平行宇宙中，当时觉得‘哇，太酷了’。”他回忆道。
在滑铁卢大学攻读本科和量子信息博士学位期间，他将信息系统与量子理论结合。
澳大利亚蓬勃发展的量子研究社区吸引了他，“如果你是对量子计算感兴趣的科学家，这里就是理想之地。”过去10年，他在悉尼科技大学工程与信息技术学院计算机科学系担任研究员和教授。
“澳大利亚人常说自己在‘超额发挥’，量子领域确实如此。”他说。
这并非空谈：澳大利亚政府已将这一新兴领域列为优先事项，2024年发布的首份《澳大利亚量子现状报告》显示，政府通过公私投资大力推动该领域发展。
“整个悉尼生态系统都在积极布局，昆士兰和维多利亚也是重要枢纽。”费里说。
70亿澳元：政府对量子技术项目和政策倡议的资金投入
《澳大利亚量子现状报告》2024
“澳大利亚是开展我所感兴趣研究的理想之地。特别是QSI，我认为这个中心在全球独一无二，因为它拥有庞大的软件研究团队。”
——克里斯·费里教授
费里的研究聚焦量子信息理论，涵盖三个核心领域：量子人工智能（AI）、量子机器学习和量子控制。这三者结合，最终将使量子计算机实现人类期望的功能。
目前，量子计算机仍“有点像黑箱”，他说：“有输入和输出，但中间过程仍是谜。
我们正尝试从头构建这些设备和系统，因此需要了解处理对象、如何控制它，以及如何验证其是否按预期运行。”
即便构建一台小型全功能量子计算机，挑战也诸多：硬件制造和基础设施搭建主要由电子工程师和材料科学家负责，而费里关注的是为尚未存在的机器开发软件的理论挑战。
“我们可以构思软件架构和验证方法，这更具理论性。我们无法编写程序并在设备上运行测试。”他说。
更复杂的是，未来量子计算机的构建材料尚未达成共识，其最佳应用场景及与现有技术的整合方式也存在不确定性。
“如今使用计算机时，我们依赖高层软件，而底层是执行计算的晶体管。“
但量子系统缺乏高层编程语言和软件，因此我们目前专注于底层系统，这取决于未来计算机的硬件构成——而当前硬件选项繁多。”
38家：2024年澳大利亚量子企业数量
《澳大利亚量子现状报告》2024
尽管挑战艰巨，费里认为这是回归基础、用通用语言证明量子系统优越性的机会。
“我们必须通过数学严格证明，我们的方法比任何数字计算机算法更高效、更节省内存。”他说。
“许多数字计算机的应用场景在设备开发时并不明确。量子计算机让我们有机会从一开始就优化效率。”
“杀手级应用”可能彻底改变多个领域，并证明在这项尖端技术上投入的时间和资源是合理的。加密破解常被视为推动量子计算发展的重要动力。
但费里对杀手级应用的定义更务实：破解加密需要完美的超大型量子计算机，他更关注能改进现有系统、解决日常问题的应用，例如加速机器学习的训练和部署，且这类应用对设备完美度要求更低。
“量子机器学习和优化在金融、交通物流、天气和气候变化预测等领域具有实际意义。”
“无需超大型完美量子计算机，即可在这些应用中超越数字计算机。”
为此，费里和QSI团队开展多个项目测试量子系统的能力和应用：
一个项目尝试将ChatGPT编码到量子系统中，测试其极限并了解训练所需资源； 另一个项目探索用机器学习控制和表征小型量子原型机；
该中心还有几个较小的工作组，负责处理各种利基应用程序。一个是研究量子模拟来复制化学反应，这在制药等领域有用例。另一个则专注于为量子计算机创建软件架构，以应对未来的挑战，比如纠错。
“我们提出理论模型、协议和流程，理想情况是让实验团队能清晰理解并应用或修改这些成果，以适配他们的实际设备。”费里说。
5大核心研究方向：包括算法、编程理论、容错、控制和实验
量子软件与信息中心
费里的研究是更大的量子计算叙事的一部分，公众对其兴趣浓厚，常将其比作“当代太空竞赛”。
吸引投资和兴趣的关键在于让未来的工程师、科学家和公众接触这些概念。作为学者，他一直在探索如何更好地向学生传授量子软件概念。
费里称，“悉尼科技大学的独特之处在于，我们的量子团队隶属于计算机科学而非科学或物理系。”
他采用了一种非常实用的方法，这种方法对于学习数字计算机软件工程的人来说并不陌生。
但他遇到了一个障碍：有了数字计算机，你可以建立一个程序或算法，并在设备上进行测试。我们还没有能力以这种方式测试和学习量子软件，至少不需要深入研究系统的物理原理。
费里想让事情变得更简单，正如俗话所说：需要催生创新。他和QSI的一位同事创建了一个模拟器，这样量子软件专业的学生就可以测试他们的代码，而不用担心遗漏什么。
他说：“我们希望它模仿的不是现有的、不完美的设备，而是未来状态的、完美的量子计算机，这样我们学生编写的程序就能按照设计运行。”
“学生们很喜欢。有一些有形的东西摆在你面前，你可以与之互动，它会改变你的学习方式。”
这个冰球大小的设备允许用户构建和测试软件，甚至探索量子概念。团队以澳大利亚本土动物“短尾矮袋鼠”命名，旨在体现其本土特色。
看到学生的积极反馈后，团队意识到它可用于中小学量子教育，设备附带的教学资源帮助师生深入学习。
该团队已通过Eigensystems公司将设备商业化。费里表示，未来计划开发更强大的研究型产品。
“如果我用经典物理演示（如抛球展示重力），失败时大家都能看到。但量子不同，无法直观演示，我只能尽力解释。”
——克里斯·费里博士
让每个教室都有Quokka设备是费里推动量子计算大众化的一小步。目前关于量子物理和量子计算机的误解众多，投资者、资助机构和公众易被误导。
“我认为人们对量子计算存在广泛误解，比如‘量子 healing 晶体’之类的伪概念。”他撰写多本成人书籍破除误解，解释量子计算与生活的交集。
但他最知名的作品是儿童系列书籍，如《婴儿量子物理》《婴儿神经网络》《婴儿量子信息》等。
全系列超60本书。灵感源于为自己的孩子解释工作内容，最初聚焦物理，后扩展到化学、工程、生物等STEM领域。
“我想为最小的读者创作——用简单方式阐释最复杂的概念，这种反差很有趣。”
“这是为了消除畏难情绪，从小接触让人们意识到量子并不复杂。我们需要将其融入日常生活，探讨这些概念如何支撑我们周围的一切。”
首台量子计算机何时问世尚无定论，但发展势头强劲，无数智慧头脑正在推动。这需要时间验证——正如IBM前CEO托马斯·沃森曾断言“全球计算机市场需求不超过五台”.
费里说：“在计算机如服务器般庞大的年代，他是对的。量子计算也会如此：若认为其永远昂贵且依赖庞大基础设施，那就太天真了。”
费里认为，量子计算普及可能类似智能手机的诞生，人们可能通过云计算方式访问其功能，随后随着存储和算力提升逐步改进。
“开发数字技术时我们也曾迷茫，但最终取得了惊人进展。量子计算机可以借鉴这一轨迹，知道哪些方法有效。”
“我们有理由乐观地认为它可能更快实现，但目前仍处于起步阶段。几十年后，它将以今日标准看来堪称奇迹的形态存在。”
*内容来源悉尼科技大学官网
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