Samarbejde giver katalysator for kvanteacceleration

Nobelprisen i fysik i 2022 anerkendte banebrydende eksperimenter af Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger, der for første gang demonstrerede potentialet i kvantesystemer til behandling af information. Flere årtier senere bygger videnskabsmænd og ingeniører i både industri og akademi på disse resultater for at skabe fungerende kvantecomputere, der giver et fristende glimt af deres potentiale til at tackle komplekse problemer på tværs af en række applikationer.

Selvom fremskridtene til dato har været imponerende, er der behov for meget mere arbejde for at skabe kvantecomputere, der kan udkonkurrere deres klassiske modstykker. Dagens små kvanteprocessorer skubber nu antallet af qubits mod 100-1000 området, men de er påvirket af støj og fejl, der begrænser deres beregningsmuligheder. At skalere teknologien op for at opnå en bred kvantefordel vil kræve videnskabelig opfindsomhed og ingeniørmæssig knowhow på tværs af mange forskellige discipliner, samt tæt samarbejde mellem den akademiske og kommercielle sektor.

I Storbritannien er dette samarbejde blevet drevet gennem National Quantum Technologies Program (NQTP), et initiativ på £1 mia., der siden 2014 har understøttet teknologihubs inden for kvanteregistrering, billeddannelse, kommunikation og databehandling. "Vi har et rigt økosystem, der arbejder sammen om at skubbe opskaleringen af ​​kvantecomputere for at levere nyttige applikationer," siger Elham Kashefi, professor i kvanteberegning ved University of Edinburgh og CNRS forskningsdirektør ved Sorbonne University i Paris.

Kashefi er netop blevet udnævnt til Chief Scientist i Storbritannien National Quantum Computing Center (NQCC), en national facilitet, der blev lanceret i 2020 som et flagskibsprogram for NQTP. NQCC sigter mod at fremskynde leveringen af ​​kvantecomputere i Storbritannien ved at samarbejde med forskningsgrupper og den kommercielle sektor for at løse skaleringsudfordringer.

"En del af min rolle med NQCC vil være at samle applikationsudviklere og slutbrugere for at skubbe udviklingen af ​​nyttige enheder frem," siger Kashefi. "Vi er nu på det stadie, hvor algoritmekravene kan påvirke designet af hardwaren, hvilket giver os mulighed for at lukke kløften mellem den ønskede use-case og den nye maskine."

Med en baggrund i datalogi har Kashefi længe været fortaler for den rolle, som software og algoritmer kan spille i udviklingen af ​​kvanteløsninger. Hun koordinerede softwareforskningsprogrammet inden for Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, et konsortium af britiske universiteter støttet af NQTP, der fokuserer på de kritiske videnskabelige udfordringer for kvanteberegning. Navnet har været startskuddet for en række nystartede virksomheder, der kæmper for forskellige hardware- og softwareløsninger, og arbejder nu sammen med NQCC om at vokse det britiske kvantecomputer-økosystem ved at omsætte forskningsstyrker til innovative teknologier.

Som en del af sin nye rolle vil Kashefi arbejde sammen med NQCC om at etablere et Quantum Software Lab ved University of Edinburgh, et kerneinitiativ, der yderligere vil udvide det nationale fodaftryk for NQCC's program. "Den skalerbarhedsudfordring, vi nu står over for med de fysiske qubits, er et problem, som datalogi og applikationssoftware kan hjælpe med at løse," siger hun. "Vi kan optimere kravene til qubits ved at samudvikle softwaren og kontrolsystemerne for at imødekomme applikationens behov."

En sådan fælles udvikling kræver en tværfaglig tilgang, der kombinerer viden om kvantehardware og informationsbehandling med ekspertise hos matematikere og dataloger, der forstår, hvordan man tackler komplekse beregningsproblemer.

"Ved at forbinde os med det væld af viden, vi har inden for klassisk datalogi, vil vi sætte os i stand til at optimere systemarkitekturer og kontrolsystemer samt protokoller til fejlreduktion og korrektion for at opnå det bedste resultat fra hardwareplatformene," siger Kashefi. "F.eks. har folk, der arbejder med højtydende computing, brugt meget tid på at finde ud af, hvordan man løser optimeringsproblemer, og deres input vil hjælpe med at accelerere udviklingen af ​​kvanteløsninger, der giver en beregningsfordel."

En lovende vej er udviklingen af ​​hybride tilgange, der kombinerer nye kvanteenheder med klassisk computerinfrastruktur. Som et eksempel er NQCC en partner i QuPharma samarbejde, et projekt på £6.8 mio., der har til formål radikalt at reducere den tid, der er nødvendig for at køre molekylære simuleringer til opdagelse af lægemidler.

Ledet af hardwareudvikler SEEQC UK og involverer den tyske medicinalgigant Merck KgaA, har projektet til formål at kombinere SEEQC's kvanteprocessor med en klassisk supercomputer for at skabe en mere kraftfuld platform for lægemiddeldesign. "Vi er nødt til at forstå smertepunkterne i industrien for at sætte os i stand til at omsætte dem til forskningsproblemer, som kvantecomputere måske kan løse," påpeger Kashefi.

Sådanne samarbejdsprojekter trækker på den videnskabelige ekspertise, der findes i Storbritanniens akademiske sektor, som har næret forskning i verdensklasse inden for kvanteteori, software og algoritmer samt eksperimentelt arbejde med at undersøge alle de førende qubit-arkitekturer.

"Som en, der er fokuseret på applikationer og verifikation, har jeg været begejstret for at have adgang til qubit-platforme lige fra superledende kredsløb og fangede ioner til fotonik og siliciumbaserede enheder," siger Kashefi. "Når vi skriver koden, skal vi være opmærksomme på hver qubit-platforms muligheder og begrænsninger, da nogle applikationer kan være mere egnede til støjmodellen eller tilslutningsmulighederne, der tilbydes af en bestemt hardwareløsning."

Den nye kvanteindustri nyder også godt af styrken af ​​den videnskabelige base i Storbritannien, hvor mange kvantestart-ups opretholder tætte forbindelser med deres tidligere forskningsgrupper for at fremme teknologien og fremskynde deres udviklingsprogrammer.

"Den akademiske sektor fungerer som en idéfabrik," siger David Lucas, den primære efterforsker af QCS Hub og medleder af fangede-ion kvantecomputergruppen ved Oxford University. "Opskalering af teknologien er en ingeniørudfordring, der rækker ud over en enkelt universitetsforskningsafdelings muligheder." En nøglerolle for NQCC er faktisk at levere infrastrukturen og lette det samarbejde, der vil være nødvendigt for at løse disse tekniske udfordringer.

Denne synergi mellem industrien og den akademiske verden har været særlig effektiv i udviklingen af ​​Maxwell-platformen, et kommercielt neutralt-atom kvantecomputersystem demonstreret af M firkantet, en udvikler af fotonik og kvanteteknologier, hos Storbritannien National Quantum Technologies Showcase i november 2022. Den nuværende version af systemet kan understøtte 100 qubits, og M Squared CEO Graeme Malcolm siger, at der er en klar vej til at skalere teknologien til 400 qubits og mere.

"For at skabe Maxwell dannede vi et strategisk partnerskab med University of Strathclyde, som har givet vores virksomhed adgang til banebrydende fysik i verdensklasse," siger Malcolm. "Det har været fantastisk at have en så stærk universitetsafdeling lige uden for døren, som vi kan læne os ind i for specialistekspertise, samtidig med at vi har været i stand til at bringe den tekniske kapacitet, der er nødvendig for at udvikle et pålideligt produkt."

Maxwell er baseret på en neutral-atom qubit-arkitektur perfektioneret af Jonathan Pritchard og hans forskerhold ved Strathclyde. Den eksperimentelle platform, som er afhængig af M Squareds kernelaserteknologi til at manipulere energiovergange i ultrakolde atomer, blev udviklet gennem et EPSRC Prosperity Partnership kaldet Firkant.

"Vi arbejdede tæt sammen med fotonikingeniørerne hos M Squared for at optimere lasernes ydeevne og i nogle tilfælde for at designe nye enheder, der er skræddersyet til de specifikke atomprocesser, vi har brug for," siger Pritchard. I mellemtiden blev udviklingen af ​​det kommercielle system muliggjort af DISCOVERY program, et projekt på £10 mio. koordineret af M Squared og støttet af Innovate UK's Quantum Technologies Challenge-program for at adressere de teknologiske barrierer for kommerciel kvanteberegning.

Et af de næste trin for samarbejdet vil være at arbejde sammen med Andrew Daley, en ekspert i kvantesimulering og computing ved University of Strathclyde, for at udvikle kvantealgoritmer, der demonstrerer platformens formåen. I 2021 viste et forskerhold ledet af Harvard University i USA, at et neutralt-atom system bestående af 256 qubits kunne bruges til at simulere og observere kvanteadfærden af ​​mange-kropssystemer, og tidligere i år brugte holdet en 289-qubit. version til demonstrere en vej til kvantefordel for en specifik klasse af analoge kvantealgoritmer.

"Det system, vi har udviklet med University of Strathclyde, er konkurrencedygtigt med de bedste neutral-atom kvantecomputere i verden," siger Malcolm. "Nu vil vi sætte nogle af disse algoritmer på den hardware, vi har demonstreret, og etablere partnerskaber for at se, hvor det kan tilbyde værdi for udfordringer i den virkelige verden."

Dette behov for at indføre robuste benchmarking- og certificeringsprotokoller er en anden vigtig prioritet for Kashefi og NQCC. Kashefi har inden for sit eget forskningsprogram fokuseret på at udvikle værktøjer til verifikation og test, som hun mener vil være med til at fremskynde udviklingen af ​​de mest lovende teknologier.

"Når forskellige enheder dukker op, skal vi vide, hvordan vi evaluerer dem, og hvordan vi sammenligner deres ydeevne med andre platforme," siger hun. "En pålidelig testramme giver afgørende feedback, der vil give os mulighed for hurtigere at skifte til et nyt regime."

I 2021 tog NQCC i brug Riverlane, en specialist i kvantealgoritmer og -software, til at udvikle en benchmarking-suite, der muliggør sammenligning af ydeevne på tværs af forskellige typer kvanteprocessorer. Et konsortium ledet af National Physical Laboratory undersøger også nøglemetrikker for kvanteberegning med henblik på at udvikle åbne standarder til at understøtte international teknologiudvikling. "NQCC forsøger ikke at skubbe til nogen bestemt hardwareløsning, men at være i stand til at benchmarke forskellige platforme vil være virkelig nyttig til at stimulere vores eget udviklingsprogram såvel som det bredere økosystem," siger Kashefi.

Sådan benchmarking vil også gøre det muligt at forstå, hvor kvanteløsninger giver en reel fordel i forhold til klassiske computerarkitekturer. "Quantum computing er en fantastisk og revolutionerende teknologi, men i sidste ende er det bare endnu et beregningsværktøj" fortsætter Kashefi. "Korrekt benchmarking vil gøre os i stand til at forstå, hvilke opgaver der er bedst egnede til en klassisk computer, og som kan forbedres med en kvanteløsning."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/