Toby Cubitt: Warum Algorithmen Anwendungen von Quantencomputern beschleunigen werden – Physics World

Quantencomputer sind vielversprechend, weil sie zumindest im Prinzip bestimmte Probleme lösen könnten, die selbst die leistungsstärksten herkömmlichen Supercomputer nicht lösen können. Aber der Bau von Quantenbits oder Qubits – und deren Verknüpfung zu praktischen Quantencomputern – ist eine große Herausforderung. Insbesondere Quantencomputer sind unglaublich laut, was schnell zu Fehlern in Quantenberechnungen führt.

Deshalb entwickeln viele Forscher clevere Quantenalgorithmen, die selbst auf den heutigen kleinen, lauten Quantencomputern nützliche Berechnungen durchführen können. Ein Unternehmen, das zu diesen Bemühungen beiträgt, ist Phasenschiff, das 2019 aus dem University College London und der University of Bristol hervorgegangen ist. Der Physiker Toby Cubitt, Mitbegründer und Chief Technology Officer bei Phasecraft, spricht mit Hamish Johnston darüber, wie reale Anwendungen bald bevorstehen könnten.

Warum haben Sie Phasecraft ursprünglich gegründet?

Wir haben Phasecraft gegründet, weil Quantencomputer einen Punkt erreichten, an dem Quantencomputer-Hardware nicht mehr nur ein Spielzeugsystem war, sondern die Grenzen dessen verschob, was auf herkömmlichen Computern möglich ist. Wir wollten versuchen, die Algorithmen zu entwickeln, die erforderlich sind, um diese frühe Hardware zu nutzen und Quantenanwendungen Wirklichkeit werden zu lassen. Das ist wissenschaftlich gesehen eine große Herausforderung, aber es ist faszinierend, sich an ihr zu beteiligen.

Wie groß ist das Unternehmen derzeit?

Wir haben derzeit etwa 20 VollzeitkräfteEtwa ein Drittel von ihnen hat einen Hintergrund in Quanteninformatik oder Quanteninformationstheorie, ein Drittel in Materialwissenschaften, kondensierter Materie und Chemie und ein Drittel in der Informatik. Sie alle verfügen über Kenntnisse im Quantencomputing, sind aber auch sehr, sehr gut darin – und lieben es –, diese Dinge zu programmieren, zu implementieren und auf der Hardware zum Laufen zu bringen.

Wir fördern Doktoranden, die an Orten wie dem University College London und der University of Bristol studieren, aber direkt hier in den Büros des Unternehmens arbeiten. Wir haben auch viele Praktikanten – sowohl Studenten als auch Doktoranden. Wir konzentrieren uns derzeit stark auf Forschung und Entwicklung. Aber wenn nützliche Anwendungen online verfügbar werden, erwarte ich, dass die Dinge viel kommerzieller werden.

Würden Sie sagen, dass Quantensoftware zugunsten des Hypes und der Aufregung um die Entwicklung neuer Qubits und Prozessortechnologien ignoriert wurde?

Hardware ist äußerst wichtig und verdient die Aufmerksamkeit, die ihr geschenkt wird, da sie faszinierende Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften umfasst. Aber für uns auf der Softwareseite geht es darum, clevere mathematische Ideen zu entwickeln, um Algorithmen effizienter zu machen und auf den heutigen, kleinen Quantengeräten im Frühstadium zu funktionieren. Tatsächlich ist es wahrscheinlicher, dass wir durch bessere Algorithmen Fortschritte machen, als wenn wir auf Verbesserungen bei der Hardware warten.

Selbst wenn die Quantenhardware exponentiell wachsen würde, könnte es ein Jahrzehnt dauern, bis man damit etwas Nützliches anfangen könnte. Für die Arbeit an Algorithmen sind außerdem keine teuren Kryostaten, Verdünnungskühlschränke, flüssiges Helium oder Chips erforderlich – nur ein Haufen wirklich kluger Leute, die gründlich nachdenken, und genau das haben wir bei Phasecraft. So haben wir vor einigen Jahren Algorithmen zur Simulation der Zeitdynamik von Quantensystemen entwickelt, die etwa sechs Größenordnungen besser waren als die von Google und Microsoft.

Quantenprozessoren sind verrauscht, wodurch sie schnell an Kohärenz verlieren und Berechnungen unmöglich machen. Wie entwickelt man praktische Algorithmen für die Ausführung auf unvollständigen Geräten?

Rauschen und Fehler sind der Fluch aller Quantenanwendungen auf realer Hardware. Es gab einige unglaubliche Verbesserungen bei der Hardware, aber wir können nicht davon ausgehen, dass Quantencomputer perfekt sind, wie das bei klassischen Geräten der Fall ist. Bei allem, was wir in Phasecraft tun, müssen wir also in Bezug auf unvollkommene, verrauschte Quantencomputer denken, die Fehler haben. Führen Sie eine beliebige Berechnung durch, und die Fehler häufen sich so schnell, dass Sie nur noch Rauschen – Zufallsdaten – herausbekommen und die gesamte Quanteninformation verloren haben.

Um dieses Problem zu umgehen, ist es wichtig, Algorithmen so effizient wie möglich zu gestalten und sie weniger empfindlich oder anfällig für Rauschen zu machen. Das stimmt, in den 1990er-Jahren Peter Schor entwickelte das Konzept der Quantenfehlerkorrektur und das Fehlertoleranter Schwellenwertsatz, was theoretisch zeigt, dass man selbst auf verrauschten Quantencomputern beliebig lange Quantenberechnungen durchführen kann. Dafür sind jedoch so große Mengen an Qubits erforderlich, dass wir hier nicht als Lösung rechnen können.

Unser Fokus liegt daher eher auf einem technischen Problem, bei dem wir versuchen zu verstehen, wie Lärm im Detail aussieht. Je besser wir Lärm verstehen, desto mehr können wir ihn berücksichtigen, damit er das Ergebnis nicht beeinträchtigt. Aber es gibt einen großen Vorteil, denn wenn man einen Algorithmus weniger komplex machen kann, kann man aus diesen lauten Quantencomputern etwas Nützliches herausholen. Es geht darum, die Algorithmen so zu gestalten, dass wir mehr aus ihnen herausholen können.

Ich sage oft, dass die heutigen Quantencomputer dort sind, wo in den 1950er Jahren die klassischen Computer waren. Damals mochten die Leute Alan Turing hatten wirklich clevere Ideen, wie man aus der klobigen, primitiven Hardware etwas mehr herausholen und tatsächlich unglaubliche Dinge damit machen kann. Das ist das Stadium, in dem wir uns beim Quantencomputing befinden. Tatsächlich eignen sich bestimmte Algorithmen manchmal besser für einen Hardwaretyp als für einen anderen.

Was die Hardware betrifft, welche Art von Qubits verwenden Sie derzeit?

Bei Phasecraft sind wir an allen Arten von Hardware interessiert. Überwiegend verwenden wir jedoch supraleitende Qubit-Schaltkreise, da dies die derzeit führende Hardwareplattform ist. Aber wir betreiben auch Ionenfallen auf Kaltatom-Hardware und denken auch über photonische Hardware nach. Aber wir sind nicht an eine bestimmte Plattform gebunden.

Der Schwerpunkt von Phasecraft liegt auf Algorithmen, die Materialeigenschaften berechnen. Warum eignen sich diese Anwendungen so gut für die heutigen frühen Quantencomputer?

In der Industrie wenden viele Unternehmen viel Zeit und Geld auf, um die Eigenschaften von Materialien mithilfe klassischer Hochleistungscomputer zu ermitteln. Das Problem ist, dass es sehr rechenintensiv ist, sodass sie letztendlich versuchen, das Problem zu vereinfachen. Aber dann besteht die Gefahr, dass man etwas völlig falsch machen kann. Beispielsweise könnten Sie am Ende davon ausgehen, dass ein Material ein Isolator ist, obwohl es in Wirklichkeit ein Leiter ist. Manchmal kann es so falsch sein.

Bei Phasecraft konzentrieren wir uns auf die Modellierung und Simulation von Materialien, da diese Anwendungen mit aktueller Hardware am ehesten erreichbar sind. Andere Anwendungen, wie etwa die Optimierung, sind hinsichtlich der Anzahl der benötigten Qubits und Gatter anspruchsvoller. Mit der Verbesserung der Hardware werden quantenchemische Simulationen in greifbare Nähe gerückt. Sie sind schwieriger zu simulieren als periodische, kristalline Materialien, da die Komplexität eines Algorithmus in molekularen Systemen mit der Anzahl der Elektronenorbitale hoch vier skaliert.

Können Sie uns einen Vorgeschmack auf einige spezifische Materialien geben, die Sie sich angesehen haben?

Derzeit ist die Hardware noch nicht groß genug, um über das klassische Maß hinaus Simulationen realer Materialien durchführen zu können. Wir sind also immer noch in dem Stadium, in dem wir die Algorithmen haben, aber wir haben noch nicht ganz die Hardware, auf der wir laufen können, obwohl es schon bald soweit ist. Allerdings sind die Arten von Materialien, die gute Ziele für frühe Anwendungen des Quantencomputings sind, mit sauberer Energie verbunden – Batteriematerialien, Dinge wie Metalloxide.

Dabei handelt es sich zufällig auch um solche, bei denen klassische Algorithmen nicht besonders gut funktionieren, weil sie involviert sind stark korreliert Elektronen. Dasselbe gilt auch für Photovoltaik. Tatsächlich haben wir eine Zusammenarbeit mit Oxford PV, mit dem gearbeitet wird Perowskit-Photovoltaik, wo wir wieder stark korrelierte Elektronensysteme betrachten. Dabei werden Dinge wie die Geschwindigkeit, mit der sich Teilchen-Loch-Paare rekombinieren und Licht emittieren, dynamisch simuliert.

Wir haben auch Strontiumvanadat untersucht, das zufällig eine schöne Bandstruktur aufweist, was bedeutet, dass es auf einen kleineren Quantencomputer passt als bestimmte andere Materialien. Es ist nicht das kleinste, aber es ist ein Metalloxidsystem, das von Interesse ist und weniger Qubits und weniger Tore benötigt als andere Metalloxide.

Wann wird Phasecraft Ihrer Meinung nach den Punkt des „Quantenvorteils“ erreichen, bei dem Ihre Algorithmen auf einem Quantenprozessor laufen und Dinge berechnen können, die ein Supercomputer nicht kann?

Das ist die Millionen-Dollar-Frage. Tatsächlich handelt es sich wahrscheinlich um die Milliarden-Dollar-Frage. Die Quantenindustrie muss an den Punkt gelangen, an dem sie nicht nur Spielzeugprobleme demonstriert, sondern reale Probleme auf Quantencomputern löst.

Ich hoffe, ich klinge nicht wie der Typ, der angeblich einmal gesagt Es würde immer nur einen Bedarf an drei Computern auf der Welt geben, aber ich glaube wirklich, dass wir in den nächsten zwei bis drei Jahren dort sein könnten. Diese frühen Fragen könnten eher von wissenschaftlichem als von industriellem Interesse sein – die Industrie könnte diesen Punkt schon etwas hinter sich gelassen haben. Es wird nicht darum gehen, Ihre High-Performance-Computing-Cluster (HPC) über Nacht abzuschalten und direkt auf einen Quantencomputer umzusteigen. Es ist viel wahrscheinlicher, dass es sich um einen schrittweisen Prozess handelt, bei dem immer mehr nützliche Dinge online gestellt werden. So funktioniert Wissenschaft: Man macht Fortschritte, stößt auf ein Hindernis und macht dann weitere Fortschritte. Es neigt dazu, sich zu verschärfen.

Der Fortschritt hängt von der harten Arbeit großer Wissenschaftlerteams ab, die über viele Jahre hinweg fleißig arbeiten. Das ist es, was im Quantencomputing passiert, und die ersten Anwendungen werden vielleicht nicht in die Schlagzeilen kommen

Wenn die breiteren Medien über Quantencomputer berichten, neigen sie dazu, davon auszugehen, dass aus heiterem Himmel und aus dem Nichts gewaltige Durchbrüche entstehen. Aber das tun sie nicht. Der Fortschritt hängt von der harten Arbeit großer Wissenschaftlerteams ab, die über viele Jahre hinweg fleißig arbeiten. Das ist es, was im Quantencomputing passiert, und die ersten Anwendungen werden vielleicht nicht in die Schlagzeilen kommen. Aber Wissenschaftler werden erkennen, wenn wir die Schwelle überschritten haben, an der man Dinge tun kann, die mit herkömmlichen Computern unmöglich sind. Wir sind nicht weit entfernt.

Phasecraft erhielt kürzlich eine private Finanzierung in Höhe von 13 Millionen Pfund. Was haben Sie mit dem Geld vor?

Für ein Quantenalgorithmus-Unternehmen wie unseres wird der überwiegende Teil der Mittel für die Bezahlung der Gehälter der Mitarbeiter verwendet. Unsere Mitarbeiter sind der Schlüssel – unser wertvollstes Kapital ist unser Team. Bei einem Hardware-Unternehmen ist das ganz anders, denn Hardware ist teuer. Aber wir brauchen Leute, die denken und programmieren, damit wir mit dem Geld unser Team stetig erweitern können.

Wir haben immer mehr Ideen, als uns die Ressourcen zur Umsetzung zur Verfügung stellen, und je näher wir der Implementierung großer Berechnungen auf Quantencomputern kommen, desto größer werden wir das Team. Es wird noch ein paar Jahre dauern, bis wir kommerziell relevante Anwendungen haben werden, aber wenn das passiert, werden wir einen Wendepunkt erleben und die gesamte Branche wird sich verändern. Wir sind immer daran interessiert, mit klugen Köpfen zu sprechen, die sich dafür begeistern, die Quantenmechanik für reale Anwendungen zu nutzen.

Wie wird sich das Unternehmen weiterentwickeln?

Alles, was es braucht, ist eine erstaunliche, herausragende Idee, die die gesamte Quantenindustrie völlig verändern könnte. Wir möchten sicherstellen, dass wir unserem Forschungsteam den Raum geben, diese Art von Blue-Sky-Denken zu betreiben, das das Gesicht des Unternehmens verändern könnte. Sicher, nicht alle Ideen werden funktionieren – 20 könnten scheitern, aber die 21. wird sich als eine bedeutende neue Richtung herausstellen, an die sonst niemand gedacht hat. Das ist bei Phasecraft schon ein paar Mal passiert. Jemand lässt sich inspirieren und dann eröffnet sich eine neue Richtung.

Quantenalgorithmen nutzen verrauschte Hardware geschickt aus

Wir befinden uns in einer äußerst aufregenden Zeit im Quantencomputing. Ich bin immer noch Professor an der UCL, und das habe ich immer noch eine akademische Gruppe dort, aber ich finde beide Seiten – angewandt und theoretisch – gleichermaßen intellektuell interessant. Ich habe 20 Jahre lang über einige Themen theoretisiert, hatte aber keine Werkzeuge, um sie in die Praxis umzusetzen. Jetzt kann ich diese Theorie jedoch in die Realität umsetzen. Anstatt nur eine Arbeit zu schreiben, kann ich meine Idee auf Hardware ausführen.

Sicher, es könnte überhaupt nicht funktionieren. Es könnte sich herausstellen, dass das reale Universum sagt: „Nein. Das ist keine gute Idee." Aber es könnte immer noch ein unglaublich nützliches und faszinierendes Problem sein, das es zu bewältigen gilt. Und so finde ich die angewandte Seite der Forschung – die Anwendung dieser Physik auf die Technologie – genauso faszinierend und interessant wie das akademische Denken am blauen Himmel.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/