摘要：本文是莫妮卡·埃爾南德斯采訪Quantum Cosmos Lab（量子宇宙實(shí)驗(yàn)室）的創(chuàng)始人和首席研究員Jakub Mielczarek后撰寫(xiě)的第一人稱(chēng)文章。

波蘭Quantum Cosmos Lab（量子宇宙實(shí)驗(yàn)室）和KP Labs的一組跨學(xué)科研究人員，研究了在“多光譜和高光譜衛(wèi)星圖像”中檢測(cè)云的量子算法有用性。

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該項(xiàng)目是為了響應(yīng)歐洲航天局（歐空局，簡(jiǎn)稱(chēng)“ESA”）在2020年底通過(guò)開(kāi)放太空創(chuàng)新平臺(tái)（OSIP）發(fā)出的空間研究呼吁，現(xiàn)已被選中進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。目前，來(lái)自?xún)杉页鮿?chuàng)公司的五人團(tuán)隊(duì)將在IBM基于云的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)中進(jìn)行量子支持向量機(jī)（QSVM）算法的建模技術(shù)。

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今年，QSVM將從大量衛(wèi)星圖像中篩選和分類(lèi)多云區(qū)域。云修剪可以顯著減少下行數(shù)據(jù)的大小，從而促進(jìn)傳輸、存儲(chǔ)和分析。大型數(shù)據(jù)衛(wèi)星集的關(guān)鍵需求是了解特征相關(guān)性，尤其是那些觀測(cè)地球的衛(wèi)星集。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將試點(diǎn)研究的一些結(jié)果與2013年發(fā)射的美國(guó)地球觀測(cè)Landsat 8的多光譜衛(wèi)星圖像共享。

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我的同事James Dargan曾在The Quantum Daily上報(bào)道過(guò)位于波蘭克拉科夫的量子宇宙實(shí)驗(yàn)室。作為一個(gè)太空愛(ài)好者，讓我著迷的正是位于雅蓋隆大學(xué)理論物理研究所的量子宇宙實(shí)驗(yàn)室。雅蓋隆大學(xué)被公認(rèn)為波蘭最古老的大學(xué)，也是歐洲最早的大學(xué)之一。雅蓋隆大學(xué)曾培養(yǎng)了徹底改變了天文學(xué)和量子密碼學(xué)的著名科學(xué)家，其中包括尼古拉·哥白尼，當(dāng)然還有阿圖爾·埃克特。

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在這一獨(dú)特豐富的歷史背景下，量子宇宙實(shí)驗(yàn)室的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于量子物理學(xué)、量子引力和量子宇宙學(xué)的基礎(chǔ)理論研究。他們的方法具有前瞻性，因?yàn)樗麄兝孟冗M(jìn)的量子計(jì)算和不斷創(chuàng)新的量子空間技術(shù)（包括 QKD）來(lái)研究這些領(lǐng)域，他們的研究在不斷增長(zhǎng)的十億美元太空經(jīng)濟(jì)中也存在著潛在商業(yè)影響。

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Jakub Mielczarek是量子宇宙實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人和首席研究員。除了物理學(xué)博士學(xué)位，Jakub還擁有理論物理學(xué)和天文學(xué)的雙碩士學(xué)位，并且具有明顯的創(chuàng)業(yè)精神。Jakub共同創(chuàng)立了“復(fù)雜車(chē)庫(kù)”和“太空花園”。不久前我遇到了Jakub，和他討論了從大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值數(shù)據(jù)所面臨的一些挑戰(zhàn)。

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“在歐盟，我們有地球觀測(cè)哥白尼計(jì)劃，每天生成幾十TB的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是巨大的，而波蘭也是哥白尼哨兵星座的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，如果您不能提取相關(guān)信息并區(qū)分可以應(yīng)用不同場(chǎng)景的內(nèi)容，那么數(shù)據(jù)本身就沒(méi)有用處?！?/p>

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QSVM建立在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中研究最廣泛的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之上。QSVM從數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，用以預(yù)測(cè)、識(shí)別和分類(lèi)觀察是否與特定類(lèi)別匹配。在這種情況下，QSVM將在完全不同的操作結(jié)構(gòu)和計(jì)算架構(gòu)下進(jìn)行訓(xùn)練，以識(shí)別和分類(lèi)給定衛(wèi)星圖像中是否存在特定云。圖像分辨率范圍在高（不到一米）或低（十到數(shù)百米）之間變化。該項(xiàng)目還將使用量子算法和經(jīng)典深度學(xué)習(xí)算法獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證以計(jì)算時(shí)間和類(lèi)型分類(lèi)為基準(zhǔn)的成功率。

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隨后，Jakub強(qiáng)調(diào)了團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的獨(dú)特價(jià)值主張。“在航天工業(yè)中，提前幾年甚至幾十年進(jìn)行規(guī)劃很正常，所以我們的目標(biāo)是根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)，調(diào)查分析量子算法在某些計(jì)算問(wèn)題和數(shù)據(jù)的空間技術(shù)和服務(wù)中是否具有加工優(yōu)勢(shì)。目前，我們發(fā)現(xiàn)量子算法在處理數(shù)據(jù)和提取相關(guān)信息方面比經(jīng)典算法更具優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于經(jīng)典算法，它存在所謂的指數(shù)加速。然而，鑒于量子計(jì)算機(jī)的當(dāng)前實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀、噪聲和量子比特?cái)?shù)的限制，這是一個(gè)理論，還不能保證我們會(huì)達(dá)到那個(gè)點(diǎn)。當(dāng)前的挑戰(zhàn)是驗(yàn)證通過(guò)擁有大量數(shù)據(jù)和最新量子計(jì)算優(yōu)勢(shì)，如果一切順利，我們將在約十年后或更早的時(shí)間實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的賦能應(yīng)用。

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云是普遍存在的。處理云是我們可以開(kāi)始測(cè)試量子算法指數(shù)加速的基本問(wèn)題類(lèi)型。我們希望通過(guò)有效的方法來(lái)區(qū)分可能影響地面觀測(cè)可見(jiàn)性的云、水或冰。從現(xiàn)在非常重要的氣象學(xué)、大氣物理學(xué)和氣候變化的角度來(lái)看，您可能對(duì)深入了解地球的云層感興趣?！?/p>

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鑒于他在學(xué)術(shù)研究和商業(yè)應(yīng)用方面的深入發(fā)展，我和Jakub仔細(xì)研究了量子計(jì)算的新興領(lǐng)域及其對(duì)航天工業(yè)的潛在影響。我向Jakub詢(xún)問(wèn)了他對(duì)未來(lái)空間應(yīng)用的看法。

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“量子計(jì)算技術(shù)并不是我們目前擁有的最成熟的量子空間技術(shù)。然而，量子計(jì)算機(jī)近年來(lái)取得了很大進(jìn)展。這就是我們量子宇宙實(shí)驗(yàn)室決定進(jìn)入游戲并利用量子計(jì)算技術(shù)改變我們的部分研究領(lǐng)域的原因。我們密切關(guān)注著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)等待了多年，出現(xiàn)的新機(jī)會(huì)令人興奮。?

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多年來(lái)，我一直在考慮使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子引力的研究，我喜歡探索新的領(lǐng)域。從如何理解現(xiàn)實(shí)和構(gòu)建時(shí)空結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，量子引力極其抽象并很基礎(chǔ)。十年前，使用量子計(jì)算來(lái)模擬量子時(shí)空還是假想。那個(gè)時(shí)候，基本沒(méi)有量子計(jì)算機(jī)。直到最近幾年，量子計(jì)算技術(shù)才取得如此大的進(jìn)步。在量子宇宙實(shí)驗(yàn)室，我們已經(jīng)在使用可用的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬時(shí)空原子。”

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位于波蘭的Quantum Cosmos Lab（量子宇宙實(shí)驗(yàn)室）和KP Labs已經(jīng)在與ESA一起準(zhǔn)備該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)階段，量子計(jì)算和空間應(yīng)用中令人興奮的新協(xié)同效應(yīng)才剛剛開(kāi)始。

發(fā)布作者：莫妮卡·埃爾南德斯

編譯：慕一

編輯：王珩

注：本文編譯自“The Quantum Daily”，文章中的信息或所表述的觀點(diǎn)意見(jiàn)，均不代表量子前哨同意或支持。