Toby Cubitt: hvorfor algoritmer vil fremskynde applikationer af kvantecomputere – Physics World

Kvantecomputere viser meget lovende, fordi de i det mindste i princippet kunne løse visse problemer, som ikke kan knækkes selv af de mest kraftfulde konventionelle supercomputere. Men at bygge kvantebits eller qubits – og sammenkæde dem for at skabe praktiske kvantecomputere – er en kæmpe udfordring. Især kvantecomputere er utroligt støjende, hvilket hurtigt introducerer fejl i kvanteberegninger.

Det er derfor, mange forskere udvikler smarte kvantealgoritmer, der kan lave nyttige beregninger selv på nutidens små, støjende kvantecomputere. En virksomhed, der bidrager til den indsats, er Phasecraft, som blev udskilt fra University College London og University of Bristol i 2019. Fysikeren Toby Cubitt, medstifter og teknologichef hos Phasecraft, taler med Hamish Johnston om, hvordan applikationer i den virkelige verden kan være lige rundt om hjørnet.

Hvorfor satte du oprindeligt Phasecraft op?

Vi grundlagde Phasecraft, fordi kvantecomputere var ved at nå det punkt, hvor kvantecomputerhardware ikke længere kun var et legetøjssystem, men skubbede grænserne for, hvad der kunne gøres på konventionelle computere. Vi ønskede at forsøge at udvikle de algoritmer, der er nødvendige for at gøre brug af den tidlige hardware og gøre kvanteapplikationer til virkelighed. Det er en kæmpe udfordring rent videnskabeligt, men en fascinerende at være involveret i.

Hvor stor er virksomheden i øjeblikket?

Vi har i øjeblikket omkring 20 fuldtidsansatte, hvoraf cirka en tredjedel har en baggrund i kvantecomputere eller kvanteinformationsteori, en tredjedel inden for materialevidenskab, kondenseret stof og kemi og en tredjedel på computersiden. De har alle en viden om kvanteberegning, men er også meget, meget gode til – og elsker – at programmere det her, implementere det og få det til at fungere på hardwaren.

Vi sponsorerer ph.d.-studerende, som er på steder som University College London og University of Bristol, men som arbejder direkte her på virksomhedens kontorer. Vi har også masser af praktikanter – både bachelorer og ph.d.-studerende. Vi er meget fokuserede på forskning og udvikling i øjeblikket. Men efterhånden som nyttige applikationer kommer online, forventer jeg, at tingene bliver meget mere kommercielle.

Vil du sige, at kvantesoftware er blevet ignoreret til fordel for al hypen og spændingen ved at udvikle nye qubits og processorteknologier?

Hardware er ekstremt vigtigt og fortjener den opmærksomhed, det er blevet givet, og involverer samtidig noget fascinerende fysik, materialevidenskab og teknik. Men for os på softwaresiden handler det om at komme med smarte matematiske ideer til at gøre algoritmer mere effektive og arbejde på nutidens tidlige, småskala kvanteenheder. Faktisk er det mere sandsynligt, at vi gør fremskridt gennem bedre algoritmer end ved at vente på forbedringer i hardware.

Selvom kvantehardware voksede eksponentielt, kan der gå et årti, før du kunne gøre noget brugbart med det. At arbejde med algoritmer kræver heller ikke dyre kryostater, fortyndingskøleskabe, flydende helium eller chips - bare en flok virkelig kloge mennesker, der tænker dybt, hvilket er, hvad vi har hos Phasecraft. For et par år siden udviklede vi for eksempel algoritmer til at simulere tidsdynamikken i kvantesystemer, der var omkring seks størrelsesordener bedre end dem fra Google og Microsoft.

Kvanteprocessorer støjer, hvilket betyder, at de hurtigt mister sammenhæng og umuliggør beregninger. Hvordan udvikler du praktiske algoritmer til at køre på ufuldkomne enheder?

Støj og fejl er banebrydningen for alle kvanteapplikationer på ægte hardware. Der har været nogle utrolige forbedringer af hardware, men vi kan ikke antage, at kvantecomputere er perfekte, som vi kan med klassiske enheder. Så med alt, hvad vi gør i Phasecraft, er vi nødt til at tænke i ufuldkomne, støjende kvantecomputere, der har fejl. Kør enhver beregning, og fejlene opbygges så hurtigt, at du bare får støj - tilfældige data - ud, og du har mistet al kvanteinformationen.

For at omgå dette problem er det afgørende at gøre algoritmer så effektive som muligt og gøre dem mindre følsomme eller modtagelige for støj. Det er rigtigt i 1990'erne Peter Shor udviklet begrebet kvantefejlkorrektion og fejltolerant tærskelsætning, som teoretisk viser, at selv på støjende kvantecomputere kan du køre vilkårligt lange kvanteberegninger. Men det kræver et så stort antal qubits, at vi ikke kan regne med dette som en løsning.

Vores fokus er derfor mere et ingeniørmæssigt problem, hvor vi forsøger at forstå, hvordan støj ser ud i detaljer. Jo bedre vi kan forstå støj, jo mere kan vi designe omkring det, så det ikke påvirker resultatet. Men der er en stor gevinst, for hvis du kan gøre en algoritme mindre kompleks, kan du få noget nyttigt ud af disse støjende kvantecomputere. Det er et spørgsmål om at designe algoritmerne, så vi kan presse mere ud af dem.

Jeg siger ofte, at nutidens kvantecomputere er, hvor klassiske computere var i 1950'erne. Dengang kunne folk godt lide Alan Turing kom med virkelig smarte ideer til, hvordan man kan presse lidt mere ud af klodset primitiv hardware og faktisk gøre utrolige ting med det. Det er det stadie, vi er på med kvanteberegning. Faktisk er visse algoritmer nogle gange mere velegnede til én type hardware end en anden.

Med hensyn til hardware, hvilken type qubits bruger du i øjeblikket?

Hos Phasecraft er vi interesserede i alle typer hardware. Vi bruger dog overvejende superledende qubit-kredsløb, fordi det er den nuværende førende hardwareplatform. Men vi kører også ionfælder på koldt-atom hardware, og vi tænker også på fotonisk hardware. Men vi er ikke bundet til en bestemt platform.

Phasecrafts fokus er på algoritmer, der beregner materialeegenskaber. Hvorfor er disse applikationer så velegnede til nutidens tidlige kvantecomputere?

I industrien bruger mange virksomheder meget tid og penge på at bruge klassiske, højtydende computere til at beregne materialers egenskaber. Problemet er, at det er meget beregningsintensivt, så de ender med at forsøge at forenkle problemet. Men faren er da, at du kan få tingene helt galt. For eksempel kan du ende med at forudsige, at et materiale er en isolator, når det faktisk er en leder. Det kan nogle gange være så forkert.

Hos Phasecraft fokuserer vi på modellering og simulering af materialer, fordi disse applikationer er inden for den nærmeste rækkevidde af nuværende hardware. Andre applikationer, såsom optimering, er mere krævende med hensyn til antallet af qubits og porte, du har brug for. Efterhånden som hardwaren forbedres, vil kvantekemi-simuleringer blive inden for vores rækkevidde. De er sværere at simulere end periodiske, krystallinske materialer, fordi kompleksiteten af ​​en algoritme i molekylære systemer skaleres som antallet af elektronorbitaler til styrken af ​​fire.

Kan du give os en smagsprøve på nogle specifikke materialer, du har set på?

I øjeblikket er hardwaren endnu ikke stor nok til at kunne lave simuleringer af rigtige materialer ud over, hvad der kan gøres klassisk. Så vi er stadig på det stadie, hvor vi har algoritmerne, men vi har endnu ikke helt hardwaren at køre på, selvom det nærmer sig. Når det er sagt, er de typer materialer, der er gode mål for tidlige anvendelser af kvanteberegning, ren energi-relaterede - batterimaterialer, ting som metaloxider.

Det er tilfældigvis også dem, hvor klassiske algoritmer ikke fungerer særlig godt, fordi de involverer stærkt korreleret elektroner. Det samme gælder for solcelleanlæg. Faktisk har vi en samarbejde med Oxford PV, som arbejder med perovskite solceller, hvor vi igen ser på stærkt korrelerede elektronsystemer. Dette involverer dynamisk simulering af ting som den hastighed, hvormed partikel-hul-par rekombinerer for at udsende lys.

Vi har også undersøgt strontiumvanadat, som tilfældigvis har en flot båndstruktur, der gør, at det kan passe på en mindre kvantecomputer end visse andre materialer. Det er ikke det mindste, men det er et metaloxidsystem, der er af interesse og har brug for færre qubits og færre porte end andre metaloxider.

Hvornår tror du, at Phasecraft vil nå det punkt med "kvantefordel", hvor dine algoritmer kan køre på en kvanteprocessor og kan beregne ting, en supercomputer ikke kan?

Det er millionspørgsmålet. Faktisk er det nok milliardspørgsmålet. Kvanteindustrien skal nå til det punkt, hvor den ikke kun demonstrerer legetøjsproblemer, men løser problemer i den virkelige verden på kvantecomputere.

Jeg håber ikke, jeg lyder som ham, der angiveligt engang sagt der ville kun være behov for tre computere i verden, men jeg tror virkelig, at vi kan nå dertil i løbet af de næste to til tre år. Disse tidlige spørgsmål kan være af videnskabelig interesse snarere end industriel interesse - industrien kan være lidt længere end det punkt. Det kommer ikke til at være et tilfælde af at slukke dine højtydende computerklynger (HPC) natten over og flytte direkte over til en kvantecomputer. Det er meget mere sandsynligt, at det er en gradvis proces, hvor flere og flere nyttige ting kommer online. Det er sådan videnskab fungerer: du gør fremskridt, du rammer en forhindring og gør så flere fremskridt. Det har en tendens til at skralde op.

Fremskridt afhænger af masser af hårdt arbejde fra store teams af forskere, der arbejder flittigt i mange år. Det er, hvad der foregår inden for kvanteberegning, og de første applikationer rammer måske ikke overskrifterne

Når de bredere medier rapporterer om kvantecomputere, har de en tendens til at antage, at massive gennembrud dukker op ud af det blå fra ingenting. Men det gør de ikke. Fremskridt afhænger af masser af hårdt arbejde fra store teams af forskere, der arbejder flittigt i mange år. Det er, hvad der foregår inden for kvanteberegning, og de første applikationer rammer måske ikke overskrifterne. Men videnskabsmænd vil indse, når vi har passeret den tærskel, hvor du kan gøre ting, der er umulige med konventionelle computere. Vi er ikke langt væk.

Phasecraft modtog for nylig £13 millioner i privat finansiering. Hvad har du tænkt dig at gøre med de penge?

For en kvantealgoritmevirksomhed som vores går langt størstedelen af ​​finansieringen til at betale folks løn. Vores personale er nøglen - vores mest værdifulde aktiv er vores team. For en hardwarevirksomhed er det meget anderledes, fordi hardware er dyrt. Men vi har brug for folk til at tænke og kode, så penge vil lade os støt udvide vores team.

Vi har altid fået flere ideer, end vi har ressourcer til at forfølge, og efterhånden som vi kommer tættere på at implementere store beregninger på kvantecomputere, vil vi skalere holdet op. Det er stadig et par år, før vi vil have kommercielt relevante applikationer, men når det sker, vil vi gå igennem et vendepunkt, og hele branchen vil ændre sig. Vi er altid ivrige efter at tale med smarte mennesker, der er begejstrede for at bruge kvantemekanik til applikationer i den virkelige verden.

Hvordan vil virksomheden så udvikle sig?

Det eneste, der skal til, er en fantastisk, enestående idé, som fuldstændig kan ændre hele kvanteindustrien. Vi er ivrige efter at sikre, at vi giver vores forskerhold plads til at gøre den slags blå himmel-tænkning, der kan ændre ansigtet på, hvor virksomheden går. Sikker på, ikke alle ideer vil fungere - 20 kan mislykkes, men den 21. vil vise sig at være en væsentlig ny retning, som ingen andre tænkte på. Det er allerede sket et par gange hos Phasecraft. Nogen bliver inspireret, og så åbner der sig en ny retning.

Kvantealgoritmer gør smart brug af støjende hardware

Vi er i en enormt spændende tid inden for kvanteberegning. Jeg er stadig professor ved UCL, og det har jeg stadig en akademisk gruppe der, men jeg finder begge sider – anvendt og teoretisk – lige intellektuelt interessante. Jeg har teoretiseret om nogle emner i 20 år, men har ikke haft nogen værktøjer til at omsætte dem i praksis. Nu kan jeg dog tage den teori og gøre den virkelig. I stedet for bare at skrive et papir, kan jeg køre min idé på hardware.

Selvfølgelig virker det måske slet ikke. Det kunne vise sig, at det virkelige univers siger: ”Nej. Det er ikke en god ide." Men det kunne stadig være et utroligt nyttigt og fascinerende problem at tage fat på. Og så den anvendte side af forskningen – at anvende denne fysik på teknologien – finder jeg lige så fascinerende og interessant som den blå himmel akademiske tænkning.

• 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/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/