Zusammenarbeit ist ein Katalysator für die Quantenbeschleunigung

Der Nobelpreis für Physik 2022 würdigte bahnbrechende Experimente von Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger, die erstmals das Potenzial von Quantensystemen zur Informationsverarbeitung demonstrierten. Einige Jahrzehnte später bauen Wissenschaftler und Ingenieure in Industrie und Wissenschaft auf diesen Errungenschaften auf, um funktionierende Quantencomputer zu entwickeln, die einen verlockenden Einblick in ihr Potenzial zur Bewältigung komplexer Probleme in einer Reihe von Anwendungen bieten.

Obwohl die bisherigen Fortschritte beeindruckend sind, ist noch viel mehr Arbeit erforderlich, um Quantencomputer zu entwickeln, die ihre klassischen Gegenstücke übertreffen können. Die heutigen kleinen Quantenprozessoren treiben die Anzahl der Qubits jetzt in den Bereich von 100 bis 1000, aber sie sind von Rauschen und Fehlern betroffen, die ihre Rechenleistung einschränken. Die Skalierung der Technologie zur Erzielung eines breiten Quantenvorteils erfordert wissenschaftlichen Einfallsreichtum und technisches Know-how in vielen verschiedenen Disziplinen sowie eine enge Zusammenarbeit zwischen dem akademischen und dem kommerziellen Sektor.

In Großbritannien wurde diese Zusammenarbeit durch die vorangetrieben Nationales Programm für Quantentechnologien (NQTP), eine Initiative im Wert von 1 Mrd. £, die seit 2014 Technologiezentren in den Bereichen Quantensensorik, Bildgebung, Kommunikation und Computer unterstützt. „Wir haben ein reichhaltiges Ökosystem, das zusammenarbeitet, um die Skalierung von Quantencomputern voranzutreiben, um nützliche Anwendungen bereitzustellen“, sagt Elham Kashefi, Professor für Quantencomputer an der Universität Edinburgh und CNRS-Forschungsdirektor an der Sorbonne-Universität in Paris.

Kashefi wurde gerade zum Chefwissenschaftler des Vereinigten Königreichs ernannt Nationales Quantencomputerzentrum (NQCC), eine nationale Einrichtung, die 2020 als Flaggschiffprogramm des NQTP eingeführt wurde. Das NQCC zielt darauf ab, die Bereitstellung von Quantencomputern in Großbritannien zu beschleunigen, indem es mit Forschungsgruppen und dem kommerziellen Sektor zusammenarbeitet, um Skalierungsherausforderungen anzugehen.

„Ein Teil meiner Rolle beim NQCC wird darin bestehen, Anwendungsentwickler und Endbenutzer zusammenzubringen, um die Entwicklung nützlicher Geräte voranzutreiben“, sagt Kashefi. „Wir sind jetzt in der Phase, in der die Anforderungen an die Algorithmen das Design der Hardware beeinflussen können, sodass wir die Lücke zwischen dem gewünschten Anwendungsfall und der entstehenden Maschine schließen können.“

Mit einem Hintergrund in Informatik ist Kashefi seit langem ein Verfechter der Rolle, die Software und Algorithmen bei der Entwicklung von Quantenlösungen spielen können. Sie koordinierte das Software-Forschungsprogramm innerhalb des Hub für Quantencomputing und -simulation (QCS)., ein vom NQTP unterstütztes Konsortium britischer Universitäten, das sich auf die entscheidenden wissenschaftlichen Herausforderungen für Quantencomputer konzentriert. Der Hub war die Startrampe für eine Reihe von Start-up-Unternehmen, die sich für verschiedene Hardware- und Softwarelösungen einsetzen, und arbeitet nun mit dem NQCC zusammen, um das britische Quantencomputer-Ökosystem durch die Umsetzung von Forschungsstärken in innovative Technologien auszubauen.

Als Teil ihrer neuen Rolle wird Kashefi mit dem NQCC zusammenarbeiten, um ein Quantum Software Lab an der University of Edinburgh einzurichten, eine Kerninitiative, die die nationale Präsenz des NQCC-Programms weiter ausbauen wird. „Die Skalierbarkeitsherausforderung, vor der wir jetzt mit den physischen Qubits stehen, ist ein Problem, bei dessen Lösung Informatik und Anwendungssoftware helfen können“, sagt sie. „Wir können die Anforderungen an die Qubits optimieren, indem wir die Software und die Steuerungssysteme gemeinsam entwickeln, um den Anforderungen der Anwendung gerecht zu werden.“

Eine solche gemeinsame Entwicklung erfordert einen multidisziplinären Ansatz, der das Wissen über Quantenhardware und Informationsverarbeitung mit dem Fachwissen von Mathematikern und Informatikern kombiniert, die verstehen, wie man komplexe Rechenprobleme angeht.

„Die Verbindung mit dem Wissensschatz, den wir in der klassischen Informatik haben, wird es uns ermöglichen, Systemarchitekturen und Steuerungssysteme sowie Protokolle zur Fehlerminderung und -korrektur zu optimieren, um das beste Ergebnis aus den Hardwareplattformen zu erzielen“, sagt Kashefi. „Zum Beispiel haben Menschen, die im Bereich Hochleistungsrechnen arbeiten, viel Zeit damit verbracht, herauszufinden, wie Optimierungsprobleme gelöst werden können, und ihr Beitrag wird dazu beitragen, die Entwicklung von Quantenlösungen zu beschleunigen, die einen Rechenvorteil bieten.“

Ein vielversprechender Weg ist die Entwicklung hybrider Ansätze, die neu entstehende Quantengeräte mit klassischer Computerinfrastruktur kombinieren. Beispielsweise ist das NQCC Partner in der QuPharma-Zusammenarbeit, ein 6.8 Millionen Pfund teures Projekt, das darauf abzielt, die Zeit, die für die Durchführung molekularer Simulationen für die Arzneimittelforschung benötigt wird, radikal zu verkürzen.

Geleitet von Hardware-Entwicklern SEEQC UK Das Projekt, an dem der deutsche Pharmariese Merck KgaA beteiligt ist, zielt darauf ab, den Quantenprozessor von SEEQC mit einem klassischen Supercomputer zu kombinieren, um eine leistungsfähigere Plattform für das Arzneimitteldesign zu schaffen. „Wir müssen die Schmerzpunkte in der Industrie verstehen, damit wir sie in Forschungsprobleme übersetzen können, die Quantencomputer möglicherweise lösen können“, betont Kashefi.

Solche Kooperationsprojekte stützen sich auf die wissenschaftliche Expertise des britischen akademischen Sektors, der erstklassige Forschung in den Bereichen Quantentheorie, Software und Algorithmen sowie experimentelle Arbeiten zur Untersuchung aller führenden Qubit-Architekturen gefördert hat.

„Als jemand, der sich auf Anwendungen und Verifizierung konzentriert, war ich begeistert, Zugang zu Qubit-Plattformen zu haben, die von supraleitenden Schaltkreisen und gefangenen Ionen bis hin zu Photonik und siliziumbasierten Geräten reichen“, sagt Kashefi. „Beim Schreiben des Codes müssen wir uns der Fähigkeiten und Einschränkungen jeder Qubit-Plattform bewusst sein, da einige Anwendungen möglicherweise besser für das Rauschmodell oder die Konnektivität einer bestimmten Hardwarelösung geeignet sind.“

Die aufstrebende Quantenindustrie profitiert auch von der Stärke der Wissenschaftsbasis im Vereinigten Königreich, da viele Quanten-Start-ups enge Verbindungen zu ihren ehemaligen Forschungsgruppen aufrechterhalten, um die Technologie voranzutreiben und ihre Entwicklungsprogramme zu beschleunigen.

„Der akademische Sektor fungiert als Ideenfabrik“, sagt David Lucas, der Hauptforscher des QCS Hub und Co-Leiter der Trapped-Ion-Quantencomputing-Gruppe an der Universität Oxford. „Das Hochskalieren der Technologie ist eine technische Herausforderung, die über die Möglichkeiten einer einzelnen universitären Forschungsabteilung hinausgeht.“ Tatsächlich besteht eine Schlüsselrolle für das NQCC darin, die Infrastruktur bereitzustellen und die Zusammenarbeit zu erleichtern, die zur Bewältigung dieser technischen Herausforderungen erforderlich sein wird.

Diese Synergie zwischen Industrie und Wissenschaft war besonders effektiv bei der Entwicklung der Maxwell-Plattform, einem kommerziellen Quantencomputersystem mit neutralen Atomen, das von demonstriert wurde M im Quadrat, ein Entwickler von Photonik und Quantentechnologien, in Großbritannien Nationales Schaufenster für Quantentechnologien im November 2022. Die aktuelle Version des Systems kann 100 Qubits unterstützen, und Graeme Malcolm, CEO von M Squared, sagt, dass es einen klaren Weg gibt, die Technologie auf 400 Qubits und mehr zu skalieren.

„Um Maxwell zu gründen, sind wir eine strategische Partnerschaft mit der University of Strathclyde eingegangen, die unserem Unternehmen Zugang zu bahnbrechender Physik von Weltklasse verschafft hat“, sagt Malcolm. „Es war großartig, eine so starke Universitätsfakultät direkt vor unserer Haustür zu haben, auf die wir uns spezialisiertes Fachwissen stützen können, während wir in der Lage waren, die technischen Fähigkeiten einzubringen, die für die Entwicklung eines zuverlässigen Produkts erforderlich sind.“

Maxwell basiert auf einer Qubit-Architektur mit neutralen Atomen, die von Jonathan Pritchard und seinem Forschungsteam in Strathclyde perfektioniert wurde. Die experimentelle Plattform, die sich auf die Kernlasertechnologie von M Squared stützt, um Energieübergänge in ultrakalten Atomen zu manipulieren, wurde im Rahmen einer EPSRC Prosperity Partnership namens entwickelt Quadrat.

„Wir haben eng mit den Photonik-Ingenieuren von M Squared zusammengearbeitet, um die Leistung der Laser zu optimieren und in einigen Fällen neue Geräte zu entwickeln, die auf die von uns benötigten spezifischen atomaren Prozesse zugeschnitten sind“, sagt Pritchard. Inzwischen wurde die Entwicklung des kommerziellen Systems durch die ermöglicht DISCOVERY Programm, ein 10-Millionen-Pfund-Projekt, das von M Squared koordiniert und vom Quantum Technologies Challenge-Programm von Innovate UK unterstützt wird, um die technologischen Hindernisse für kommerzielles Quantencomputing zu beseitigen.

Einer der nächsten Schritte der Zusammenarbeit wird die Zusammenarbeit mit Andrew Daley, einem Experten für Quantensimulation und Computing an der University of Strathclyde, sein, um Quantenalgorithmen zu entwickeln, die die Leistungsfähigkeit der Plattform demonstrieren. Im Jahr 2021 zeigte ein Forschungsteam unter der Leitung der Harvard University in den USA, dass ein aus 256 Qubits bestehendes neutrales Atomsystem verwendet werden kann, um das Quantenverhalten von Vielteilchensystemen zu simulieren und zu beobachten, und Anfang dieses Jahres verwendete das Team ein 289-Qubit Version zu einen Weg zum Quantenvorteil demonstrieren für eine bestimmte Klasse analoger Quantenalgorithmen.

„Das System, das wir mit der University of Strathclyde entwickelt haben, ist konkurrenzfähig mit den besten Neutralatom-Quantencomputern der Welt“, sagt Malcolm. „Jetzt wollen wir einige dieser Algorithmen auf die von uns demonstrierte Hardware übertragen und Partnerschaften aufbauen, um zu sehen, wo sie für Herausforderungen in der realen Welt einen Mehrwert bieten können.“

Die Notwendigkeit, robuste Benchmarking- und Zertifizierungsprotokolle einzuführen, ist eine weitere wichtige Priorität für Kashefi und das NQCC. Innerhalb ihres eigenen Forschungsprogramms hat sich Kashefi auf die Entwicklung von Werkzeugen zur Verifizierung und Prüfung konzentriert, die ihrer Ansicht nach dazu beitragen werden, die Entwicklung der vielversprechendsten Technologien zu beschleunigen.

„Wenn verschiedene Geräte auftauchen, müssen wir wissen, wie wir sie bewerten und ihre Leistung mit anderen Plattformen vergleichen können“, sagt sie. „Ein zuverlässiger Testrahmen liefert entscheidendes Feedback, das uns einen schnelleren Übergang zu einem neuen Regime ermöglicht.“

2021 wurde das NQCC in Betrieb genommen Flussstraße, ein Spezialist für Quantenalgorithmen und -software, um eine Benchmarking-Suite zu entwickeln, um Leistungsvergleiche zwischen verschiedenen Arten von Quantenprozessoren zu ermöglichen. Ein vom National Physical Laboratory geleitetes Konsortium untersucht auch Schlüsselmetriken für Quantencomputer im Hinblick auf die Entwicklung offener Standards zur Untermauerung der internationalen Technologieentwicklung. „Das NQCC versucht nicht, eine bestimmte Hardwarelösung voranzutreiben, aber die Möglichkeit, verschiedene Plattformen zu bewerten, wird wirklich nützlich sein, um unser eigenes Entwicklungsprogramm sowie das breitere Ökosystem anzuregen“, sagt Kashefi.

Ein solches Benchmarking wird es auch ermöglichen zu verstehen, wo Quantenlösungen einen echten Vorteil gegenüber klassischen Computerarchitekturen bieten. „Quantum Computing ist eine erstaunliche und revolutionäre Technologie, aber letztendlich ist es nur ein weiteres Rechenwerkzeug“, fährt Kashefi fort. „Durch richtiges Benchmarking können wir verstehen, welche Aufgaben sich am besten für einen klassischen Computer eignen und welche durch eine Quantenlösung verbessert werden können.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/