Mauro Paternostro: en vision af kvantelandskabet - Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-caption="Kvantesyn Mauro Paternostro. (Med høflighed: Queen's University Belfast)”>

Vi er midt i en kvante-renæssance, hvor forskere i den akademiske verden og industrien alle kappes om at "vinde" kvantecomputerræset. Kvantemarkedet blomstrer, med snesevis af virksomheder, store som små, der investerer i denne teknologi, bakket op af enorme offentlige midler over hele kloden.

Mauro Paternostro, en kvantefysiker ved University of Palermo og Queen's University Belfast, er ekspert i kvanteinformationsbehandling og kvanteteknologi. Hans team arbejder på grundlaget for emnet og laver banebrydende forskning i hulrumsoptomekanik, kvantekommunikation og mere. Han er også chefredaktør for tidsskriftet IOP Publishing Kvantevidenskab og -teknologi.

I dette omfattende interview taler Paternostro med Tushna Commissariat om hans syn på kvantelandskabet – fra de "fire søjler" i kvanteteknologi og hybridarkitekturer til det lovende ægteskab mellem kvanteteknologi og kunstig intelligens (AI). Paternostro understreger også behovet for fortsat statslig finansiering for at realisere det sande potentiale i denne verdensforandrende teknologi.

Vi har set kvanteboblen sprænge i løbet af det sidste årti, men hvad er de potentielle fordele og risici ved den eksponentielle ekspansion i kvanteteknologivirksomheder og finansiering rundt om i verden?

Alt i alt er billedet meget positivt. Kvanteinformationsbehandling havde brug for et løft fra industrien, da virksomheder kan presse på for den mere pragmatiske udvikling, som feltet har brug for. Det perspektiv, som industrien tilbyder, er med til at forme kvanteteknologier på en mere fokuseret måde, når det kommer til overordnede mål. Det spirende, eksploderende marked – det være sig i industrien eller den akademiske verden – er fantastisk.

Men som du påpeger, har der været en hurtig vækst. Og selvom det for det meste er en god ting, er der også en lille smule bekymring for, at vi kan skabe en stor boble, der vil briste før end senere. Så jeg tror, ​​det er et spørgsmål om kontrol – vi er nødt til at beherske os lidt, samtidig med at forskningsområdet kan vokse organisk.

Jeg er lidt bekymret over antallet af små virksomheder, der alle ser ud til at udvikle deres egen kvantesoftware. Deres produkter har meget lidt at gøre med ægte kvantealgoritmer og er typisk klassiske optimeringsløsninger – som har deres egne fordele. Men de er ikke nødvendigvis, hvad jeg vil kalde en kvanteramme.

På den anden side er nogle spin-off-virksomheder mere orienteret mod implementering af kvantebehandlingsplatforme, såsom kvantesensorer. Disse er virkelig interessante, da det ikke kun er kvanteberegning på spil, men også andre fysiske love.

Der er fire søjler, der understøtter udviklingen af ​​kvanteteknologi: kvanteberegning; kvantesimulering; kvantekommunikation; og kvantesansning og metrologi. Og jeg vil sige, at alle fire udvikler sig på en meget sund måde.

Kvantesansning ser ud til at være en af ​​de mest avancerede, sammen med kommunikation takket være modenheden af ​​de teknologier, de kan udnytte. Selvom involvering af industrien er gavnlig og lovende, bør vi være på vagt over for den vilde spekulation og "inflation", der kommer af at forsøge at hoppe på en hurtig bus, uden at have den fulde billetpris for turen ved hånden.

Og selvom jeg ofte er skeptisk over for mindre virksomheder, får man også nogle gange bekymringer fra de store aktører. For eksempel havde det kinesiske tech-firma Alibaba en interesse i at udvikle kvantecomputerplatforme og -løsninger, indtil det pludselig besluttede at lukke sit interne kvanteteam i slutningen af ​​sidste år og sagde, at det hellere ville fokusere på at være førende inden for AI-forskning.

Var dette blot en forretningsbeslutning, eller lugter Alibaba noget, som vi endnu ikke har lugtet? Jeg tror, ​​vi må vente og se. Samlet set tror jeg, at fremtiden er lys, og at industriens involvering er meget gode nyheder.

Der er en række forskellige kvantecomputerteknologier, der kæmper om topplaceringen - fra fangede ioner og kvanteprikker til superledende og fotoniske qubits. Hvilken tror du har størst sandsynlighed for at lykkes?

Jeg er en slags agnostiker, fordi jeg ikke tror på, at den første kvanteenhed, vi bygger, vil være fuld kvante. Jeg ved, at dette for nogle er et kontroversielt valg, men det er en mening, som deles af mange andre inden for mit felt. Det, jeg tror, ​​vi ender med, er en hybridarkitektur, hvor det bedste af højtydende computing (HPC) vil interface med kvantecomputerarkitekturer.

Måske disse støjende mellemskala kvante (NISQ) arkitekturer vil få selskab af en fuldgyldig HPC-arkitektur, der vil booste deres ydeevne, eller omvendt. De kvanteressourcer, der lægges på bordet af denne slags hybridenheder, vil forbedre den ydeevne, som nuværende klassiske HPC kan producere. Jeg tror stærkt på gennemførligheden af ​​den slags hybridarkitektur – en fuld kvanteløsning er stadig langt fra, hvor vi er nu.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-1.jpg" data-caption="Tech triumf A wafer full of quantum processors from D-Wave, a Canadian quantum-computing company. (CC BY 2.0 Steve Jurvetson)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-1.jpg”>

Jeg er heller ikke helt overbevist om, at vi vil have evnen til at styre de enorme ressourcer, der ville være nødvendige for at udnytte det hul i beregningskraft, som en kvantecomputer ville tilbyde. Et mellemlangsigtet mål, der sigter mod denne hybride HPC kvantearkitektur, vil være en meget mere realistisk – og potentielt meget frugtbar arkitektur – at forfølge. Jeg er mildest talt optimistisk over, at der vil dukke noget op i mit liv.

Du nævnte, at kvantesensorer allerede udvikles til en bred vifte af applikationer, herunder sundhedspleje, konstruktion og endda tyngdekraftsmåling. Hvad er nyt og spændende på det område?

Kvantesensorer udvikler fantastiske muligheder til at undersøge mekanismer, der hidtil har været uhåndgribelige. I det væsentlige hjælper disse sensorer os med bedre at opdage de potentielle kvanteeffekter af kræfter som tyngdekraften, som mange forskere i Storbritannien har en interesse i at forfølge. En væsentlig del af det eksperimenterende samfund forfølger disse mål – med University of Birminghams kvantehub førende på denne front.

Jeg tror ikke, at nogen påstår, at der er en vindende eksperimentel platform at forfølge – både kolde atomer og optomekanik er nogle af de mest lovende i den henseende. Men de teoretiske og eksperimentelle fremskridt, som dette område har opnået, er meget interessant.

Sensorer, der kan undersøge den grundlæggende natur af undvigende fysiske mekanismer, vil, tror jeg, være en nøgleudvikling. Og så er der andre sensorenheder, såsom accelerometre eller billedapparater, der allerede er ret veletablerede. Det UK's National Quantum Technologies Program har allerede gjort betydelige fremskridt i den forbindelse, og teknologien er tilgængelig og moden nok til at have en reel effekt.

Jeg mener, at industrier bør investere kraftigt i dette område, fordi sansning ved siden af ​​kommunikation er på forkant med implementeringen af ​​kvanteteknologier på dette stadium.

Sætter scenen for en kvantemarkedsplads: hvor kvanteforretningen er i gang, og hvordan den kan udvikle sig

Og hvad med kvantekommunikation?

Kvantekommunikation er nok det mest konkrete eksempel, hvor akademiske fremskridt er blevet sat i værk til gavn for industriledede mål. Det har været et helt fantastisk eksempel på, hvad vi kan opnå, når disse to komponenter arbejder sammen.

Selvom fremskridtet har været fantastisk, er der også kontroversielle aspekter, især når vi betragter de større geopolitiske implikationer af et globalt kvantenetværk. Spørgsmålet om kommunikation og datasikkerhed vil blive væsentligt, så vi skal nøje overveje de bredere konsekvenser af denne teknologiske udvikling. Geopolitiske grænser ændrer sig konstant, og deres mål er ikke altid i overensstemmelse med videnskabelige mål.

Hvad er nogle nøgleområder, hvor AI og kvanteteknologier krydser hinanden? Hvor hjælper de bedst hinanden, og hvad er potentielle problemer?

Dette er et meget vigtigt spørgsmål. Det er overflødigt at sige, at den hellige gral for begge områder er meget tæt på – både AI og kvanteberegning er baseret på udviklingen af ​​nye algoritmer. Man hører folk tale om quantum machine learning (ML), eller quantum AI, men det er ikke det, de egentlig mener. De henviser ikke til specifikt designede kvantealgoritmer til AI- eller ML-problemer. Hvad de mener er hybridiseringen af ​​klassisk maskinlæring eller klassisk AI med kvanteproblemer.

Disse løsninger vil afhænge af området og det problem, vi forsøger at tackle. Men generelt ser vi på klassiske teknikker til behandling af datasæt; optimering af problemer; løsning af omkostningsfunktioner; og kontrol, optimering og manipulation af kvanteproblemer.

Det er meget lovende, da du sammensætter det bedste fra de to verdener. Fra en teoretisk synsvinkel er målet at tackle spørgsmål på det generelle kvantemekaniske niveau, der skal behandles, og måske de større og mere komplicerede problemer i forhold til skala. Vi ønsker at bygge værktøjer på algoritmisk niveau, der giver dig mulighed for at håndtere kompleksiteten af ​​disse problemer på en certificerbar og konsolideret måde.

Og det interessante er, at eksperimenter er begyndt at indhente den teoretiske udvikling. Vi har allerede en række løsninger, tilgange og metoder, der er udviklet i dette hybride scenarie, hvor ML og kvanteinformationsbehandling mødes.

Jeg håber, at disse eksperimenter bliver fuldt ud undersøgt i de næste par år, og at de ikke bliver fanget, hvis AI- og kvanteboblen brister. Jeg tvivler dog på, at det ville være tilfældet, fordi AI er kommet for at blive, mens ML nu er et uundgåeligt værktøj, der bruges af dataanalytikere verden over. Hvis vi har en ambition om at opskalere kompleksiteten af ​​de problemer, som vi kan og bør tackle, så skal vi fokusere på at udvikle disse værktøjer.

Hvilke nye tiltag er på vej på dette område?

Tidligere i år, UK Research and Innovation (UKRI) annonceret, at det finansierer ni nye forskningscentre til at "levere revolutionerende AI-teknologier" til at tackle komplekse problemer fra sundhedspleje til energi samt 10 andre undersøgelser for at definere "ansvarlig AI". Jeg ved, at en række af disse har en kvantekomponent – ​​især i sundhedsvæsenet, hvor AI-baserede løsninger er helt fundamentale, men der kan også være kvanteløsninger.

Så jeg er meget optimistisk, når det kommer til fusionen af ​​AI og kvanteteknologi, så længe udviklingen af ​​en AI-ramme er reguleret. Lige nu Europa-Kommissionen er ved at formulere den juridiske ramme for sin AI-lov, som vil adressere de risici, AI kan udgøre, og den globale rolle, EU håber at spille i reguleringen af ​​teknologien. Både Storbritannien og USA har allerede arbejdet på lignende rammer i et stykke tid, så vi burde have formuleret en global politik og regulering, før snarere end senere.

Så længe denne udvikling følger en reguleret politik med solide rammer, bør AI's interaktioner med kvanteteknologier skabe en nyttig tovejs feedback-mekanisme, der vil hjælpe begge felter med at vokse betydeligt.   

Når det kommer til finansiering af kvanteteknologi fra regeringer på tværs af den globale scene, hvilke specifikke områder vil du så gerne se yderligere investeringer i?

Mine tilskud! Men på en mere alvorlig bemærkning, har investeringer på regeringsniveau været udbredt og betydelige for, hvad der i det væsentlige stadig er et spirende videnskabeligt område. Sammenlignet med nogle andre områder, der modtager videnskabsstøtte, såsom militær eller medicinsk forskning, er mængden af ​​penge, der er blevet lagt på pladen, næsten latterligt – men det er selvfølgelig en meget god ting for os. En fordel ved denne form for offentlige udgifter er, at det tvinger os til at danne et fællesskab og komme op med fælles mål.

Hvis vi henviser til de førnævnte fire søjler, er der en underliggende sammenhæng mellem fundamental fysik og teoretiske udviklinger. Forskellige lande har valgt en eller flere søjler at fokusere på, afhængigt af deres ekspertise og ressourcer. USA er meget fokuseret på beregning. EU er mere udbredt, og så er situationen mere kompleks, men der er store investeringer i kommunikation samt en stigende interesse for simulering, mens en række nationale EU-strategier også er fokuseret på sansning.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-3.jpg" data-caption="Kvanteekspertise A research scientist with IBM Quantum in the lab with a large quantum system built by the firm. (Courtesy: IBM)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-3.jpg”>

Storbritannien forsøger også at dække hele spektret, men identificerer nogle meget veldefinerede emner, fra billeddannelse til beregning og fra kommunikation til sansning. Der er lande som Finland, der har en mere eksperimenterende tilgang og er fokuseret på superledende arkitekturer, da de allerede har enorme faciliteter til rådighed. Singapore er på den anden side ved at udvikle en meget stærk forskningslinje inden for satellitbaseret kvantekommunikation. For et lille land har det et enormt potentiale, både hvad angår talent og ressource.

Så forskellige lande har udviklet deres eget ekspertiseområde på en organisk måde. Og ved at gøre det vinder vi alle sammen som et fællesskab – vi nyder alle godt af alle de fremskridt, der er gjort. Nogle små skridt, nogle flere trinvise skridt, nogle store kvantespring.

Jeg tror, ​​det vil være rigtig vigtigt, at regeringer, nationale og supernationale, indser, at investeringer i kvanteteknologier bør opretholdes. Det er et område, der har brug for kontinuerlig, ubrudt støtte for at nå sine høje mål. Og vi, som det videnskabelige samfund, skal projicere et sammenhængende billede med det samme sæt af mål, på trods af de forskelle, vi har. Først da vil vi være bedst placeret til at omsætte kvanteteknologier til livsændrende virkeligheder.

Som ny chefredaktør på Kvantevidenskab og -teknologi (QST), hvad er din vision for journalen?

Det er en stor ære, og jeg er absolut smigret, men det er også en stor bestræbelse i betragtning af det udviklende landskab af kvanterelaterede tidsskrifter. Det, jeg ønsker for tidsskriftet, er at sikre, at QST forbliver en af ​​de foretrukne veje til indsendelse af førsteklasses bidrag. Men jeg vil også være med til at forme tidsskriftets manifest og dets mål.

Min førsteprioritet som chefredaktør har derfor været at nedsætte en direktion, der sammen med opbakning fra redaktionen skal præge tidsskriftets omfang og mission på en klar måde. Og det vil så informere den måde, tidsskriftet vil udvikle sig over de næste par år, styret af kvanteforskningssamfundet. Med hensyn til omfanget vil jeg gerne se flere eksperimentelle opdateringer af høj kvalitet, der skubber rammerne for implementeringen af ​​kvanteteknologier.

IOP Publishing har en transformerende aftale (TA) med din institution, hvad angår publicering med åben adgang. Kan du fortælle mig om det?

Jeg synes, det har været en aftale, der ændrer spillet, hvad angår offentliggørelsen af ​​vores output. Med de strenge kriterier, som forskningsrådene har lagt på output støttet af bevillinger – fra for eksempel Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) – og behovet for, at de er fuldt tilgængelige, og data er fuldt tilgængelige for samfundet, at have en TA, der garanterer åben adgang, er det, vi har brug for. Det er dejligt at have ro i sindet, at IOP Publishing er en levedygtig vej til, hvor mine EPSRC-kompatible output kan publiceres.

Bortset fra overholdelse af finansiering, fjerner IOPP-aftalen den administrative byrde ved at håndtere fakturaer for artikeludgivelsesgebyrer (APC'er), hvilket er en stor lettelse for forskerne. Jeg har slået til lyd for at udvide initiativet – ved at etablere lignende aftaler med andre forlag – men også sørge for, at der ikke er tale om et engangseksperiment, der forsvinder i løbet af det næste års tid. Vi bør gøre det systemisk i forhold til den måde, institutioner på tværs af ikke kun Storbritannien, men hvad jeg angår Europa er involveret. Det bør være indkapslet lige fra starten, i den måde de videregående uddannelsesinstitutioner og forskningsinstitutioner fungerer på. Det er afgørende at sikre, at der er en synergi mellem forlagsvirksomheder og universiteter eller forskningsinstitutter.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/