يعالج قراصنة الكم مشاكل العالم الحقيقي

اصطفت تسعة فرق من طلاب البحث والعلماء في بداية حياتهم المهنية في نهاية شهر يوليو للتنافس في أول مسابقة في المملكة المتحدة هاكاثون الحوسبة الكمومية. مُنظّم من قبل المركز الوطني للحوسبة الكمية (NQCC) بالتعاون مع كوانتكس، تحدى الحدث الفرق لابتكار حلول كمية جديدة للمشاكل التي وضعها المستخدمون النهائيون مثل BT و NHS و Rolls Royce.

بحلول نهاية الحدث الذي استمر لمدة يومين ، قامت العديد من الفرق بتشغيل خوارزمياتها على الأجهزة الكمية التي قدمها شركاء التكنولوجيا IBM و Oxford Quantum Circuits و AWS. قام آخرون ، الذين طوروا حلولًا تتجاوز قدرات المعالجات الكمومية الحالية ، باختبار حلولهم على المحاكيات الكمية ، مع خبراء البرمجة من كل من مزودي التكنولوجيا المتوفرين لتقديم الدعم والمشورة. قال فرانك هاركينز من شركة آي بي إم: "لقد كنا نتحقق مع الفرق طوال الحدث ، ونساعد في بعض التعليمات البرمجية الأكثر تقنية". "يتمتع البعض برؤية جيدة إلى أين يتجهون وكيفية استخدام الكود ، بينما ساعدنا البعض الآخر في القليل من النظرية والخوارزميات."

كما عمل الموجهون من كل من مؤسسات المستخدم النهائي جنبًا إلى جنب مع الفرق لتقديم معرفة متخصصة في المجال ، وشرح سياق المشكلة ، وتوجيه المتسللين نحو الحلول المحتملة. كان التحدي الذي حددته شركة Rolls Royce ، على سبيل المثال ، هو التنبؤ بعمر المحرك النفاث بناءً على البيانات المسجلة أثناء التشغيل. علق المرشد جاريت سمالي ، أحد المتخصصين في الحوسبة الكمومية في الشركة: "بادئ ذي بدء ، قمت بتأطير حالة الاستخدام ، ومن هناك قمت بتوجيههم من خلال التعلم الآلي الكمي كنهج محتمل". "لقد توصلوا إلى نهج جديد يمزج بعض الأفكار الموجودة معًا بطريقة جديدة ، وكان من الرائع حقًا مشاهدتها وهي تتطور من لا شيء إلى نموذج عملي في غضون يومين فقط."

مشكلة أخرى ، وضعتها هيئة الخدمات الصحية الوطنية (NHS) ، تحدت المتسللين لابتكار استراتيجية لتخصيص أسرّة المرضى مع مراعاة القيود المختلفة. أوضح المرشد دان سكوفيلد ، كبير علماء البيانات في إدارة تحويل NHS: "إنها مشكلة معقدة للغاية يتم حلها عادةً من قبل أشخاص على الأرض لديهم الكثير من المعرفة بالمجال". "ربما نكون على بعد خطوات قليلة من امتلاك أي حوسبة كمومية في NHS ، ولكن كان من المثير للاهتمام حقًا معرفة كيف يمكن أن تكون الأساليب الكمية قادرة على حل هذا النوع من المشاكل التي نبحث عنها."

كان الهاكاثون أول حدث عملي ينظمه NQCC للجمع بين مطوري الكم والمستخدمين النهائيين ومقدمي التكنولوجيا للعمل على مشاكل العالم الحقيقي. في مايو 2022 أطلقت برنامج اكتشاف تطبيقات SparQ، والتي تهدف إلى تزويد المستخدمين النهائيين بفرصة لتجربة الخوارزميات والأجهزة الكمومية لمعالجة حالات الاستخدام ذات الصلة داخل قطاعهم. قال مايكل كوثبرت ، مدير NQCC: "إن الأمر كله يتعلق بتنمية مجتمع المستخدمين للحوسبة الكمية". "لا يوجد شيء مثل تشغيل جزء من التعليمات البرمجية بنفسك ، وتشغيله على كمبيوتر كمي حقيقي ، للتفاعل مع التكنولوجيا وفهم قدراتها."

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

لقد شجع كوثبرت مستوى الاهتمام والالتزام في الهاكاثون. قال: "لقد تم تجاوز عدد الأماكن المكتتبة لدينا ، وحصلنا على دعم رائع من شركائنا في الصناعة ومقدمي تكنولوجيا الكم". "كانت فرق المتسللين منخرطة ومتحمسة بشكل لا يصدق - كان البعض يعمل على حلها حتى الليل - وعملوا معًا بشكل فعال للغاية للتوصل إلى بعض الحلول الرائعة في فترة زمنية قصيرة."

بالنسبة للطلاب والباحثين الذين شكلوا الفرق ، قدم الهاكاثون نظرة ثاقبة حول الميزة التي قد تقدمها خوارزميات الكم على المدى القريب للتطبيقات الصناعية. كانت ماريا فيولاريس ، طالبة دكتوراه من جامعة أكسفورد ، تعمل على مشكلة المطاردة والتهرب التي وضعتها شركة الدفاع MBDA. كان فريقها يحاول تدريب شبكة عصبية كمومية للتوصل إلى أفضل استراتيجية للمطارد ("الوحش") للوصول إلى الهدف ("الأميرة") في أسرع وقت ممكن - وهي مشكلة لا تتعلق فقط بـ قطاع الدفاع ، ولكن أيضًا للتطبيقات الأخرى مثل مراقبة حركة المرور أو أنظمة الأمن في المتاحف والمعارض الفنية.

وعلق فيولاريس: "لقد كان من الجيد حقًا أن يكون لديك يومان تركز فيهما بشكل كامل على مشروع واحد ، وأن تأخذ حالة الاستخدام وربطها مرة أخرى بالخوارزميات الكمية التي يمكن استخدامها لحل المشكلة". "لقد أحرزنا تقدمًا كبيرًا نظرًا لقصر النطاق الزمني ، وحققنا بعض النتائج الواعدة عندما اختبرنا الخوارزمية على كل من جهاز محاكاة الكم وعلى معالج كمومي حقيقي. لقد كانت طريقة رائعة لتسريع التعلم ".

كان هذا التقدم السريع ممكنًا جزئيًا من خلال نهج منظم لاختيار الفريق. توضح كيارا ديكارولي من NQCC ، والتي كانت مسؤولة عن تنظيم الحدث ، أنه طُلب من المتسللين المحتملين تحديد مستوى مهاراتهم بالإضافة إلى خبرتهم السابقة في البرمجة الكمية كجزء من عملية التطبيق. وأوضحت: "لقد أنشأنا فرقًا تضم ​​أشخاصًا من تخصصات مختلفة ولديهم مجموعة من المهارات ، بما في ذلك مبتدئين نسبيًا في مجال الكم ممن يعرفون كيفية بناء الخوارزميات أو النماذج". "سارعت الفرق إلى تحديد أي منهم لديه الخبرة اللازمة لأداء كل مهمة محددة ، وكان لذلك تأثير كبير على النتائج التي توصلوا إليها في وقت قصير جدًا."

من المؤكد أن طالب الماجستير إيدن شيرمان من إمبريال كوليدج لندن شعر بفائدة هذا النهج. تم تكليفه بفريق يعمل مع THALES لتطوير خوارزمية كمومية لاكتشاف الحالات الشاذة في بيانات السونار التي سجلتها الغواصات ، والتي يمكن إنشاؤها بواسطة غواصات العدو أو الصواريخ ذات التوقيع غير المعروف. قال: "في البداية طلبت أن أكون في فريق مع أشخاص آخرين من إمبريال ، لكن كان قرارًا ذكيًا خلط الفرق". "لقد كان من الجيد التعاون مع أشخاص جدد ، والاستماع إلى الأفكار الجديدة ، والعمل على خوارزمية كمومية مرتبطة ببحوثي ولكن ليس نفس الشيء. لقد فتح ذهني على اتجاهات جديدة لتطوير الخوارزميات الكمومية ".

كما قدر شيرمان المدخلات من THALES والخبراء التقنيين من شركة IBM. "أخبرنا مرشد الصناعة لدينا عن حالة الاستخدام والبيانات ، بالإضافة إلى التطبيقات والخوارزميات الكلاسيكية المستخدمة عادةً ، بينما ساعدنا متخصصان من شركة IBM طوال الحدث في التنفيذ وبأفكار جديدة لخوارزميات الكم. لقد كان من المفيد حقًا الوصول إلى تلك المعرفة والحصول على وجهة نظر مختلفة ".

في نهاية الهاكاثون - بعد 30 ساعة فقط من بدايته في اليوم السابق - قدمت الفرق حلولها لجميع المشاركين الآخرين ، بالإضافة إلى لجنة التحكيم التي ضمت كوثبرت وديكارولي وخبراء الكم من كل من الصناعة والأوساط الأكاديمية. قال ديكارولي: "كانت جميع العروض التقديمية رائعة". "كانت المعايير بالنسبة لنا كمحكمين هي النظر في إبداع الحل ، وما إذا كان الفريق قد حقق في قابلية التوسع في أسلوبهم في استخدام آلات كمومية أكثر قوة ، ومدى جودة عرضهم لنتائجهم والإجابة على أي أسئلة."

كان الفريق الفائز ، الذي أطلق على نفسه اسم Quassian ، يعمل مع MDBA على نهج التعلم الآلي الكمي لتسريع عمليات المحاكاة المعقدة في هندسة الطيران. وجاءت مجموعة Rolls Royce تحت إشراف Smalley في المرتبة الثانية ، بينما ذهبت الثالثة إلى فريق ترعاه BT لاختبار طرق كمومية وكلاسيكية مختلفة لتحسين أداء صفيفات الهوائيات ثنائية الأبعاد. وعلق كوثبرت ، قبل تقديم الجوائز للفرق الفائزة: "أظهرت جميع العروض التقديمية قدرًا هائلاً من العمل والالتزام والحماس خلال اليومين الماضيين". "لقد كونت أصدقاء وجهات اتصال ستظل معك لبقية حياتك المهنية ، وآمل أن تكون مجرد بداية مشاركتك مع الحوسبة الكمية و NQCC."

يمهد نجاح الحدث الطريق أمام الهاكاثونات المستقبلية ، والتي تركز على الأرجح على قطاعات صناعية محددة لتشجيع المزيد من المهنيين في بداية حياتهم المهنية على المشاركة. كما أنه يوفر لفريق NQCC نقطة انطلاق مفيدة لمشاركته المستمرة مع النظام البيئي الكمي المتنامي في المملكة المتحدة. قال ديكارولي "الهاكاثون يشمل جميع العناصر الرئيسية لـ SparQ ، ولكن على نطاق أصغر". "يمكننا توسيع نموذج الهاكاثون هذا ليشمل مشاريع طويلة المدى حيث يمكن لمطوري الكم والمستخدمين النهائيين ومزودي التكنولوجيا العمل معًا لتطوير حلول أكثر تعقيدًا واختبارها على منصات أجهزة متعددة."