Storbritanniens første kvantecomputerhackathon udfordrede hold af studerende og forskere i den tidlige karriere til at udtænke nye kvanteløsninger til virkelige problemer
Ni hold af forskerstuderende og videnskabsmænd i den tidlige karriere stillede op i slutningen af juli for at konkurrere i Storbritanniens første quantum computing hackathon. Organiseret af National Quantum Computing Center (NQCC) i samarbejde med QuantX, udfordrede begivenheden holdene til at udtænke nye kvanteløsninger på problemer sat af slutbrugere som BT, NHS og Rolls Royce.
Ved afslutningen af den to-dages begivenhed havde flere hold kørt deres algoritmer på kvantehardware leveret af teknologipartnerne IBM, Oxford Quantum Circuits og AWS. Andre, som havde udviklet løsninger ud over de nuværende kvanteprocessorers muligheder, testede deres løsninger på kvantesimulatorer, med programmeringseksperter fra hver af teknologiudbyderne til rådighed for at yde support og rådgivning. "Vi har tjekket ind med holdene under hele arrangementet og hjulpet med noget af det mere tekniske kode," sagde IBM's Frank Harkins. "Nogle har en god vision om, hvor de skal gå hen, og hvordan man bruger koden, mens vi for nogle af de andre har hjulpet med lidt af teorien og algoritmerne."
Mentorer fra hver af slutbrugerorganisationerne arbejdede også sammen med holdene for at tilbyde ekspertdomæneviden, forklare konteksten for problemet og guide hackerne mod potentielle løsninger. Udfordringen stillet af Rolls Royce var for eksempel at forudsige levetiden for en jetmotor baseret på data registreret under drift. "Først og fremmest indrammede jeg use casen, og derfra guidede jeg dem gennem kvantemaskinelæring som en mulig tilgang," kommenterede mentor Jarrett Smalley, en af virksomhedens specialister i kvanteberegning. "De fandt på en ny tilgang, der blander nogle eksisterende ideer sammen på en ny måde, og det har været rigtig fedt at se det udvikle sig fra ingenting til en fungerende model på kun to dage."
Et andet problem, fastsat af NHS, udfordrede hackerne til at udtænke en strategi for at allokere patienter til senge, samtidig med at der tages hensyn til forskellige begrænsninger. "Det er et ekstremt komplekst problem, som normalt løses af folk på jorden med en masse domæneviden," forklarede mentor Dan Schofield, en senior dataforsker i NHS Transformation Directorate. "Vi er sandsynligvis et par skridt fra at have nogen kvantecomputere i NHS, men det har været virkelig interessant at finde ud af, hvordan kvantetilgange kan være i stand til at løse den slags problemer, vi kigger på."
Hackathonet var den første praktiske begivenhed arrangeret af NQCC for at samle kvanteudviklere, slutbrugere og teknologiudbydere for at arbejde på problemer i den virkelige verden. I maj 2022 lancerede sit SparQ-applikationsopdagelsesprogram, som har til formål at give slutbrugere mulighed for at eksperimentere med kvantealgoritmer og hardware til at tackle relevante use cases inden for deres sektor. "Det handler om at udvide brugerfællesskabet for kvantecomputere," sagde NQCC-direktør Michael Cuthbert. "Der er intet som at køre et stykke kode selv og køre det på en rigtig kvantecomputer for at engagere sig i teknologien og forstå dens muligheder."
[Indlejret indhold]
Cuthbert er blevet opmuntret af niveauet af interesse og engagement i hackathonet. "Vi var overtegnet for steder, og vi har fået fantastisk støtte fra vores industripartnere og udbydere af kvanteteknologi," sagde han. "Hackerne har været utroligt engagerede og entusiastiske - nogle arbejdede på deres løsning langt ud på natten - og de har arbejdet ekstremt effektivt sammen for at komme frem til nogle imponerende løsninger på kort tid."
For de studerende og forskere, der udgjorde holdene, tilbød hackathonet et værdifuldt indblik i den fordel, som kortsigtede kvantealgoritmer kan tilbyde til industrielle applikationer. Maria Violaris, en ph.d.-studerende fra University of Oxford, arbejdede på et forfølgelses-og-unddragelsesproblem sat af forsvarsfirmaet MBDA. Hendes team forsøgte at træne et kvanteneuralt netværk for at finde den bedste strategi for en chaser ("monsteret") til at nå målet ("prinsessen") på hurtigst mulig tid - et problem, der ikke kun er relevant for forsvarssektoren, men også til andre anvendelser såsom trafikkontrol- eller sikkerhedssystemer på museer og kunstgallerier.
"Det har været rigtig godt at have to dage, hvor man er fuldt fokuseret på ét projekt, og at tage en use case og koble den tilbage til de kvantealgoritmer, der kunne bruges til at løse problemet," kommenterede Violaris. "Vi har gjort en masse fremskridt på grund af den korte tidsskala, og vi genererede nogle lovende resultater, da vi testede algoritmen både på en kvantesimulator og på en rigtig kvanteprocessor. Det har været en fantastisk måde at fremskynde læring på."
Sådanne hurtige fremskridt blev til dels muliggjort af en struktureret tilgang til teamudvælgelse. NQCC's Chiara Decaroli, som var ansvarlig for at organisere begivenheden, forklarer, at potentielle hackere blev bedt om at specificere deres færdighedsniveau såvel som deres tidligere erfaring med kvanteprogrammering som en del af ansøgningsprocessen. "Vi skabte teams med folk fra forskellige discipliner og med en række færdighedssæt, inklusive relative begyndere inden for kvanteområdet, som vidste, hvordan man bygger algoritmer eller modeller," forklarede hun. "Holdene var hurtige til at identificere, hvem af dem havde ekspertisen til at udføre hver specifik opgave, og det havde en enorm indflydelse på de resultater, de producerede på meget kort tid."
Kandidatstuderende Eden Schirman fra Imperial College London følte bestemt fordelen ved den tilgang. Han blev tildelt et team, der arbejdede med THALES for at udvikle en kvantealgoritme til at detektere anomalier i ekkolodsdata optaget af ubåde, som kunne genereres af fjendtlige ubåde eller missiler med en ukendt signatur. "I begyndelsen bad jeg om at blive sat i et hold med andre folk fra Imperial, men det var en smart beslutning at blande holdene," sagde han. ”Det har været godt at samarbejde med nye mennesker, at lytte til nye ideer og at arbejde på en kvantealgoritme, der er relateret til min forskning, men ikke den samme. Det har åbnet mit sind for nye retninger for udvikling af kvantealgoritmer."
Schirman værdsatte også input fra THALES og de tekniske eksperter fra IBM. ”Vores branchementor fortalte os om use casen og dataene, samt de klassiske implementeringer og algoritmer, der typisk bruges, mens to specialister fra IBM hjalp os gennem hele arrangementet med implementeringen og med nye ideer til kvantealgoritmer. Det har været virkelig nyttigt at have adgang til den viden og få et andet synspunkt.”
Ved afslutningen af hackathonet – kun 30 timer efter det startede dagen før – præsenterede holdene deres løsninger for alle de andre deltagere samt for et dommerpanel, der omfattede Cuthbert, Decaroli og kvanteeksperter fra både industri og akademisk verden. "Alle præsentationerne var fantastiske," sagde Decaroli. "Kriterierne for os dommere var at se på kreativiteten af løsningen, om holdet havde undersøgt skalerbarheden af deres tilgang til mere kraftfulde kvantemaskiner, og hvor godt de præsenterede deres resultater og besvarede eventuelle spørgsmål."
Det vindende hold, som kaldte sig Quassian, havde arbejdet med MDBA på en tilgang til kvantemaskinelæring for at fremskynde komplekse simuleringer inden for rumfartsteknik. Rolls Royce-gruppen, der blev vejledt af Smalley, blev nummer to, mens den tredje gik til et BT-sponsoreret team, der testede forskellige kvante- og klassiske metoder til at optimere ydeevnen af 2D-antennearrays. "Alle præsentationerne viste enorme mængder arbejde, engagement og entusiasme i løbet af de sidste par dage," kommenterede Cuthbert, inden han overrakte præmierne til de vindende hold. "Du har fået venner og kontakter, som vil forblive hos dig resten af din karriere, og jeg håber, at det kun er starten på dit engagement med kvantecomputere og NQCC."
Arrangementets succes baner vejen for fremtidige hackathons, der højst sandsynligt fokuserer på specifikke industrisektorer for at tilskynde flere professionelle i den tidlige karriere til at deltage. Det giver også NQCC-teamet et nyttigt springbræt til dets igangværende engagement i Storbritanniens voksende kvanteøkosystem. "Hackathonet indkapsler alle nøgleelementerne i SparQ, men i mindre skala," sagde Decaroli. "Vi kan udvide denne hackathon-skabelon til længerevarende projekter, hvor kvanteudviklere, slutbrugere og teknologiudbydere kan arbejde sammen om at udvikle mere komplekse løsninger og teste dem på flere hardwareplatforme."
