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1 林茨 ELLIS 部门,LIT AI 实验室,机器学习研究所,约翰内斯开普勒大学,4040 林茨,奥地利;brandstetter@ml.jku.at (JB);kofler@ml.jku.at (JK);hochreit@ml.jku.at (SH) 2 奥地利科学院量子光学与量子信息研究所与维也纳大学维也纳量子科学与技术中心,1090 维也纳,奥地利;manuel.erhard@univie.ac.at 3 多伦多大学化学系与人工智能矢量研究所,多伦多,ON M5G 1M1,加拿大; mario.krenn@univie.ac.at 4 多伦多大学计算机科学系和人工智能矢量研究所,加拿大安大略省多伦多 M5G 1M1 5 人工智能高级研究所 (IARAI),Landstraßer Hauptstraße 5, 1030 Vienna,奥地利 * 通讯地址:adler@ml.jku.at † 当前地址:Quantum Technology Laboratories GmbH,Wohllebengasse 4/4, 1040 Vienna,奥地利。‡ 当前地址:马克斯普朗克光科学研究所,91058 埃尔朗根,德国。§ 当前地址:阿姆斯特丹大学理学院信息学研究所,1090 GH 阿姆斯特丹,荷兰。
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ZEUS 多拍瓦激光设施的首次实验。亚特兰大——希腊神宙斯以控制闪电的能力而闻名,闪电是一种等离子体现象,当带负电的电子与构成空气的原子中的带正电的离子分离时,就会在大气中发生。强激光可以在实验室中引起同样的电荷分离,将原子分离成电子和离子的混合物,称为等离子体,等离子体的速度如此之快,以至于等离子体以相对论速度移动。加州大学欧文分校的研究人员在密歇根大学安娜堡分校的新 ZEUS 多拍瓦激光设施上进行首次正式实验时,探索了如何控制这些“激光诱导闪电”。了解这种相互作用中的极端物理现象本身就很有趣;然而,控制激光焦点极端条件的能力将使微型粒子加速器成为现实。如果粒子加速器体积小且价格低廉,它们可以用于医学成像、放射性同位素生产、核废料清理、先进制造等应用。粒子加速器也是至关重要的,因为它是 X 射线的强光源。目前,我们建造的粒子加速器大小相当于足球场大小,用作 X 射线机,既耗时又昂贵。加州大学研究人员利用 ZEUS 激光器证明,从激光和拇指大小的气体中可以获得类似的 X 射线。ZEUS 由美国国家科学基金会资助,正在努力成为美国最强大的激光器。在满功率下,它将能够在一次激光爆发中提供高达 3 拍瓦的功率,即超过三百万亿瓦的功率。相比之下,整个美国电网提供的功率约为太瓦,比 ZEUS 少一千倍,而 LED 灯泡仅使用约 5 瓦的功率。ZEUS 成为现实的秘诀是啁啾脉冲放大技术,该技术获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。虽然激光非常强大,但它只能持续很短的时间,因此爆发所需的能量相对较少。在加州大学欧文分校的这项实验中(图 1),激光功率有所增加,以帮助更好地理解电子加速的物理原理与发射的 X 射线之间的关系,产生的 X 射线比牙科 X 射线亮 1000 万倍以上。
第二次量子革命不仅促进了量子科学和技术的研究,也促进了如何最好地教育可能进入这一新兴领域的学生的研究。关于量子科学教育的大部分讨论都集中在学生的概念学习或潜在雇主所期望的技能上;缺乏对实验课程和实验如何促进本科量子教育的研究。为了开始了解量子实验可能发挥的作用,我们对在本科实验课程中使用单光子和纠缠光子进行实验的教师进行了调查,发现最重要的学习目标之一是“在现实生活中看到量子力学”。为了更好地理解这一目标,我们采访了 15 位接受调查的教师,询问他们了解量子力学对他们意味着什么,以及他们为什么认为这是学生教育的重要组成部分。我们从对这些访谈的定性编码分析中提出了新主题,这些主题开始阐明教师如何看待了解量子力学,以及教师希望了解量子力学(以及更广泛地进行量子实验)将帮助学生实现哪些学习目标。
本文概述了最新的理论建议及其在量子机学习领域的实验实现的观点。没有详尽的目标,本文回顾了特定的高影响主题,例如量子增强学习,量子自动编码器和量子概述器,以及它们在量子光子学和超导管电路平台中的实验实现。量子机器学习的领域可以是第一种量子技术之一,产生对工业以及对社会有益的结果。因此,有必要在嘈杂的中间量子计算机中推动该技术的初始量子实现,旨在实现机器学习中的富有成果的计算,这些计算比任何其他当前或将来的计算范式都更好。