يوفر التعاون حافزًا لتسريع الكم

اعترفت جائزة نوبل للفيزياء لعام 2022 بالتجارب الرائدة التي أجراها آلان أسبكت وجون كلوزر وأنتون زيلنجر والتي أظهرت لأول مرة إمكانات الأنظمة الكمية لمعالجة المعلومات. بعد عدة عقود ، يبني العلماء والمهندسون في كل من الصناعة والأوساط الأكاديمية على هذه الإنجازات لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية فعالة تقدم لمحة محيرة عن قدرتها على معالجة المشكلات المعقدة عبر مجموعة من التطبيقات.

في حين أن التقدم المحرز حتى الآن كان مثيرًا للإعجاب ، إلا أن هناك حاجة إلى المزيد من العمل لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية يمكنها التفوق في الأداء على نظيراتها الكلاسيكية. تعمل المعالجات الكمومية صغيرة الحجم حاليًا على دفع عدد الكيوبتات نحو النطاق 100-1000 ، لكنها تتأثر بالضوضاء والأخطاء التي تحد من قدراتها الحسابية. إن توسيع نطاق التكنولوجيا لتحقيق ميزة كمية واسعة سوف يتطلب براعة علمية ومعرفة هندسية عبر العديد من التخصصات المختلفة ، فضلاً عن التعاون الوثيق بين القطاعين الأكاديمي والتجاري.

في المملكة المتحدة ، كان هذا التعاون مدفوعًا من خلال البرنامج الوطني لتقنيات الكم (NQTP) ، وهي مبادرة بقيمة مليار جنيه إسترليني منذ عام 1 تدعم مراكز التكنولوجيا في الاستشعار الكمي والتصوير والاتصالات والحوسبة. "لدينا نظام بيئي غني يعمل معًا لدفع توسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتقديم تطبيقات مفيدة" ، حسب قول إلهام الكاشي ، أستاذ الحوسبة الكمية في جامعة إدنبرة ومدير أبحاث CNRS في جامعة السوربون في باريس.

تم تعيين الكاشي للتو كبير العلماء في المملكة المتحدة المركز الوطني للحوسبة الكمومية (NQCC) ، منشأة وطنية تم إطلاقها في عام 2020 كبرنامج رائد لبرنامج NQTP. تهدف NQCC إلى تسريع تقديم الحوسبة الكمية في المملكة المتحدة من خلال الشراكة مع مجموعات البحث والقطاع التجاري لمواجهة تحديات التوسع.

"جزء من دوري مع NQCC هو الجمع بين مطوري التطبيقات والمستخدمين النهائيين لدفع تطوير الأجهزة المفيدة إلى الأمام" ، كما يقول الكاشي. "نحن الآن في المرحلة التي يمكن أن تؤثر فيها متطلبات الخوارزميات على تصميم الأجهزة ، مما يسمح لنا بسد الفجوة بين حالة الاستخدام المرغوبة والآلة الناشئة."

مع خلفية في علوم الكمبيوتر ، لطالما كان الكاشي مدافعًا عن الدور الذي يمكن أن تلعبه البرامج والخوارزميات في تطوير الحلول الكمية. قامت بتنسيق برنامج بحث البرمجيات داخل مركز الحوسبة والمحاكاة الكمومية (QCS)، وهو كونسورتيوم من جامعات المملكة المتحدة مدعوم من NQTP الذي يركز على التحديات العلمية الحاسمة للحوسبة الكمومية. كان المركز بمثابة منصة انطلاق لعدد من الشركات الناشئة التي تدافع عن حلول الأجهزة والبرامج المختلفة ، ويعمل الآن مع NQCC لتنمية النظام البيئي للحوسبة الكمية في المملكة المتحدة من خلال ترجمة نقاط القوة البحثية إلى تقنيات مبتكرة.

كجزء من دورها الجديد ، ستعمل كاشفي مع NQCC لإنشاء مختبر برمجيات الكم في جامعة إدنبرة ، وهي مبادرة أساسية من شأنها توسيع البصمة الوطنية لبرنامج NQCC. وتقول: "إن تحدي قابلية التوسع الذي نواجهه الآن مع الكيوبتات الفيزيائية هو مشكلة يمكن لعلوم الكمبيوتر وبرامج التطبيقات أن تساعد في حلها". "يمكننا تحسين متطلبات الكيوبتات من خلال المشاركة في تطوير البرامج وأنظمة التحكم لتلبية احتياجات التطبيق."

يتطلب هذا التطوير المشترك نهجًا متعدد التخصصات يجمع بين المعرفة بالأجهزة الكمومية ومعالجة المعلومات مع خبرة علماء الرياضيات وعلماء الكمبيوتر الذين يفهمون كيفية معالجة المشكلات الحسابية المعقدة.

يقول كاشفي: "إن الاتصال بثروة المعرفة التي لدينا في علوم الكمبيوتر الكلاسيكية سيمكننا من تحسين هياكل الأنظمة وأنظمة التحكم ، بالإضافة إلى بروتوكولات تخفيف الأخطاء وتصحيحها ، للحصول على أفضل نتيجة من منصات الأجهزة". "كمثال ، قضى الأشخاص الذين يعملون في الحوسبة عالية الأداء الكثير من الوقت في اكتشاف كيفية حل مشكلات التحسين ، وستساعد مدخلاتهم في تسريع تطوير الحلول الكمية التي تقدم ميزة حسابية."

أحد السبل الواعدة هو تطوير الأساليب الهجينة التي تجمع بين الأجهزة الكمومية الناشئة والبنية التحتية للحوسبة الكلاسيكية. على سبيل المثال ، NQCC شريك في تعاون QuPharma، وهو مشروع بقيمة 6.8 مليون جنيه إسترليني يهدف إلى تقليل الوقت اللازم لتشغيل عمليات المحاكاة الجزيئية لاكتشاف الأدوية بشكل جذري.

بقيادة مطور الأجهزة SEEQC المملكة المتحدة ويهدف المشروع ، الذي يشمل شركة الأدوية الألمانية العملاقة Merck KgaA ، إلى الجمع بين المعالج الكمي الخاص بـ SEEQC والكمبيوتر الفائق الكلاسيكي لإنشاء منصة أكثر قوة لتصميم الأدوية. "نحن بحاجة إلى فهم نقاط الضعف في الصناعة لتمكيننا من ترجمتها إلى مشاكل بحثية قد تكون الحوسبة الكمومية قادرة على حلها" ، يشير الكاشي.

تعتمد مثل هذه المشاريع التعاونية على الخبرة العلمية التي يتمتع بها القطاع الأكاديمي في المملكة المتحدة ، والتي عززت أبحاثًا عالمية المستوى في نظرية الكم والبرمجيات والخوارزميات بالإضافة إلى العمل التجريبي الذي يحقق في جميع هياكل الكيوبت الرائدة.

يقول كاشفي: "بصفتي شخصًا يركز على التطبيقات والتحقق ، فقد شعرت بسعادة غامرة لإمكانية الوصول إلى منصات كيوبت التي تتراوح من الدوائر فائقة التوصيل والأيونات المحاصرة إلى الضوئيات والأجهزة القائمة على السيليكون". "عندما نكتب الكود ، نحتاج إلى أن نكون على دراية بإمكانيات وقيود كل منصة كيوبت ، نظرًا لأن بعض التطبيقات قد تكون أكثر ملاءمة لنموذج الضوضاء أو الاتصال الذي يوفره حل جهاز معين."

تستفيد صناعة الكم الناشئة أيضًا من قوة القاعدة العلمية داخل المملكة المتحدة ، حيث تحافظ العديد من الشركات الناشئة الكمومية على روابط وثيقة مع مجموعات البحث السابقة لتطوير التكنولوجيا وتسريع برامج التطوير الخاصة بهم.

يقول ديفيد لوكاس ، الباحث الرئيسي في QCS Hub والقائد المشارك لمجموعة الحوسبة الكمومية في جامعة أكسفورد: "يعمل القطاع الأكاديمي كمصنع للأفكار". "يعد تطوير التكنولوجيا تحديًا هندسيًا يتجاوز قدرات قسم أبحاث جامعي واحد." في الواقع ، يتمثل أحد الأدوار الرئيسية للمركز الوطني للمؤتمرات في توفير البنية التحتية وتسهيل التعاون المطلوب لمواجهة هذه التحديات الهندسية.

كان هذا التآزر بين الصناعة والأوساط الأكاديمية فعالاً بشكل خاص في تطوير منصة Maxwell ، وهي نظام حوسبة كمومية تجارية محايدة للذرة أظهره م تربيع، مطور للضوئيات وتقنيات الكم ، في المملكة المتحدة معرض تقنيات الكم الوطنية في نوفمبر 2022. يمكن أن يدعم الإصدار الحالي من النظام 100 كيوبت ، ويقول الرئيس التنفيذي لشركة M Squared ، Graeme Malcolm ، إن هناك طريقًا واضحًا لتوسيع نطاق التكنولوجيا إلى 400 كيوبت وما بعدها.

يقول مالكولم: "لإنشاء ماكسويل ، شكلنا شراكة إستراتيجية مع جامعة ستراثكلايد ، والتي وفرت لشركتنا إمكانية الوصول إلى فيزياء عالمية المستوى". "لقد كان أمرًا رائعًا أن يكون لدينا قسم جامعي قوي على عتبة بابنا مباشرة بحيث يمكننا الاعتماد عليه للحصول على الخبرة المتخصصة ، بينما تمكنا من توفير القدرة الهندسية اللازمة لتطوير منتج موثوق."

ماكسويل مبني على بنية كيوبت ذرة محايدة أتقنها جوناثان بريتشارد وفريقه البحثي في ​​ستراثكلايد. تم تطوير المنصة التجريبية ، التي تعتمد على تقنية الليزر الأساسية الخاصة بـ M Squared لمعالجة انتقالات الطاقة في الذرات شديدة البرودة ، من خلال شراكة الازدهار EPSRC تسمى ميدان.

يقول بريتشارد: "لقد عملنا عن كثب مع مهندسي الضوئيات في M Squared لتحسين أداء الليزر ، وفي بعض الحالات لتصميم أجهزة جديدة مصممة خصيصًا للعمليات الذرية المحددة التي نحتاجها". وفي الوقت نفسه ، تم تمكين تطوير النظام التجاري من قبل DISCOVERY البرنامج ، وهو مشروع قيمته 10 ملايين جنيه إسترليني بتنسيق من M Squared وبدعم من برنامج تحدي تقنيات الكم التابع لشركة Innovate UK لمعالجة الحواجز التكنولوجية أمام الحوسبة الكمومية التجارية.

ستكون إحدى الخطوات التالية للتعاون هي العمل مع أندرو دالي ، وهو خبير في محاكاة الكم والحوسبة في جامعة ستراثكلايد ، لتطوير خوارزميات كمومية توضح قدرة النظام الأساسي. في عام 2021 ، أظهر فريق بحثي بقيادة جامعة هارفارد في الولايات المتحدة أنه يمكن استخدام نظام ذرة محايدة يتكون من 256 كيوبت لمحاكاة ومراقبة السلوك الكمي للأنظمة متعددة الأجسام ، وفي وقت سابق من هذا العام استخدم الفريق 289 كيوبت. نسخة ل إظهار الطريق إلى الميزة الكمومية لفئة معينة من خوارزميات الكم التناظرية.

يقول مالكولم: "إن النظام الذي طورناه مع جامعة ستراثكلايد قادر على المنافسة مع أفضل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الذرة المحايدة في العالم". "نريد الآن وضع بعض هذه الخوارزميات على الأجهزة التي أظهرناها وإقامة شراكات لمعرفة أين يمكن أن تقدم قيمة لتحديات العالم الحقيقي."

إن الحاجة إلى وضع بروتوكولات معيارية وشهادات قوية هي أولوية مهمة أخرى لكاشيفي ولجنة الجودة الوطنية. ركزت كاشفي ضمن برنامجها البحثي الخاص على تطوير أدوات للتحقق والاختبار ، والتي تعتقد أنها ستساعد في تسريع عملية تطوير أكثر التقنيات الواعدة.

تقول: "عندما تظهر أجهزة مختلفة ، نحتاج إلى معرفة كيفية تقييمها وكيفية مقارنة أدائها مع الأنظمة الأساسية الأخرى". "يوفر إطار عمل اختبار موثوق به تعليقات مهمة ستسمح لنا بالانتقال بسرعة أكبر إلى نظام جديد."

في عام 2021 ، تم تشغيل NQCC ريفرلين، متخصص في الخوارزميات والبرمجيات الكمومية ، لتطوير مجموعة معيارية لتمكين مقارنات الأداء عبر أنواع مختلفة من المعالجات الكمومية. كما يقوم اتحاد بقيادة المختبر الفيزيائي الوطني بالتحقيق في المقاييس الرئيسية للحوسبة الكمومية ، بهدف تطوير معايير مفتوحة لدعم تطوير التكنولوجيا الدولية. "لا تحاول NQCC دفع أي حل أجهزة معين ، ولكن القدرة على قياس منصات مختلفة ستكون مفيدة حقًا في تحفيز برنامج التطوير الخاص بنا بالإضافة إلى النظام البيئي الأوسع" ، كما يقول الكاشي.

ستجعل مثل هذه المقارنة المعيارية من الممكن أيضًا فهم المواضع التي تقدم فيها الحلول الكمية ميزة حقيقية على بنيات الحوسبة الكلاسيكية. "الحوسبة الكمومية هي تقنية مذهلة وثورية ، لكنها في النهاية مجرد أداة حسابية أخرى" يتابع كاشفي. "ستمكننا المقارنة المعيارية المناسبة من فهم المهام الأكثر ملاءمة لجهاز الكمبيوتر الكلاسيكي ، والتي يمكن تحسينها من خلال حل كمي."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/