Quantenhacker gehen reale Probleme an

Neun Teams aus Forschungsstudenten und Nachwuchswissenschaftlern traten Ende Juli an, um beim ersten Wettbewerb im Vereinigten Königreich anzutreten Quantencomputing-Hackathon. Organisiert vom National Quantum Computing Center (NQCC) in Zusammenarbeit mit QuantXDie Veranstaltung forderte die Teams dazu auf, neuartige Quantenlösungen für Probleme zu entwickeln, die von Endbenutzern wie BT, dem NHS und Rolls Royce gestellt wurden.

Am Ende der zweitägigen Veranstaltung hatten mehrere Teams ihre Algorithmen auf Quantenhardware ausgeführt, die von den Technologiepartnern IBM, Oxford Quantum Circuits und AWS bereitgestellt wurde. Andere, die Lösungen entwickelt hatten, die über die Fähigkeiten aktueller Quantenprozessoren hinausgingen, testeten ihre Lösungen auf Quantensimulatoren, wobei Programmierexperten der einzelnen Technologieanbieter zur Seite standen, um Unterstützung und Rat zu bieten. „Wir haben uns während der gesamten Veranstaltung mit den Teams in Verbindung gesetzt und bei einigen der eher technischen Codes geholfen“, sagte Frank Harkins von IBM. „Einige haben eine gute Vorstellung davon, wohin sie gehen und wie sie den Code verwenden sollen, während wir anderen ein wenig mit der Theorie und den Algorithmen geholfen haben.“

Mentoren aus den einzelnen Endbenutzerorganisationen arbeiteten außerdem mit den Teams zusammen, um Expertenwissen zu vermitteln, den Kontext des Problems zu erklären und die Hacker zu möglichen Lösungen zu führen. Die Herausforderung von Rolls Royce bestand beispielsweise darin, die Lebensdauer eines Strahltriebwerks anhand der während des Betriebs aufgezeichneten Daten vorherzusagen. „Zuerst habe ich den Anwendungsfall formuliert und sie dann durch Quantenmaschinelles Lernen als möglichen Ansatz geführt“, kommentierte Mentor Jarrett Smalley, einer der Spezialisten des Unternehmens für Quantencomputing. „Sie haben einen neuartigen Ansatz entwickelt, der einige bestehende Ideen auf neue Weise miteinander verbindet, und es war wirklich cool zu sehen, wie er sich in nur zwei Tagen vom Nichts zu einem funktionierenden Modell entwickelte.“

Ein weiteres vom NHS gestelltes Problem stellte die Hacker vor die Herausforderung, eine Strategie für die Zuweisung von Patienten zu Betten zu entwickeln und dabei auch verschiedene Einschränkungen zu berücksichtigen. „Es handelt sich um ein äußerst komplexes Problem, das normalerweise von Leuten vor Ort mit viel Fachwissen gelöst wird“, erklärte Mentor Dan Schofield, ein leitender Datenwissenschaftler im NHS Transformation Directorate. „Wahrscheinlich sind wir noch ein paar Schritte davon entfernt, überhaupt Quantencomputer im NHS zu haben, aber es war wirklich interessant herauszufinden, wie Quantenansätze in der Lage sein könnten, die Art von Problemen zu lösen, mit denen wir es zu tun haben.“

Der Hackathon war die erste vom NQCC organisierte praktische Veranstaltung, bei der Quantenentwickler, Endbenutzer und Technologieanbieter zusammenkamen, um an realen Problemen zu arbeiten. Im Mai 2022 ist es soweit hat sein SparQ-Programm zur Anwendungserkennung gestartetZiel ist es, Endbenutzern die Möglichkeit zu geben, mit Quantenalgorithmen und -hardware zu experimentieren, um relevante Anwendungsfälle in ihrem Sektor anzugehen. „Es geht darum, die Benutzergemeinschaft für Quantencomputing zu vergrößern“, sagte NQCC-Direktor Michael Cuthbert. „Es gibt nichts Schöneres, als einen Code selbst auszuführen und ihn auf einem echten Quantencomputer auszuführen, um sich mit der Technologie auseinanderzusetzen und ihre Fähigkeiten zu verstehen.“

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Cuthbert war vom großen Interesse und Engagement am Hackathon ermutigt. „Wir waren für die Plätze überbucht und hatten großartige Unterstützung von unseren Industriepartnern und den Anbietern von Quantentechnologie“, sagte er. „Die Hackerteams waren unglaublich engagiert und enthusiastisch – einige arbeiteten bis spät in die Nacht an ihrer Lösung – und sie haben äußerst effektiv zusammengearbeitet, um in kurzer Zeit einige beeindruckende Lösungen zu entwickeln.“

Für die Studenten und Forscher, aus denen die Teams bestanden, bot der Hackathon einen wertvollen Einblick in die Vorteile, die kurzfristige Quantenalgorithmen für industrielle Anwendungen bieten könnten. Maria Violaris, eine Doktorandin der Universität Oxford, arbeitete an einem Verfolgungs- und Ausweichproblem des Verteidigungsunternehmens MBDA. Ihr Team versuchte, ein neuronales Quantennetzwerk zu trainieren, um die beste Strategie für einen Verfolger (das „Monster“) zu entwickeln, um das Ziel (die „Prinzessin“) in der schnellstmöglichen Zeit zu erreichen – ein Problem, das nicht nur für relevant ist im Verteidigungssektor, aber auch für andere Anwendungen wie Verkehrskontrolle oder Sicherheitssysteme in Museen und Kunstgalerien.

„Es war wirklich gut, zwei Tage zu haben, in denen man sich voll und ganz auf ein Projekt konzentrieren und einen Anwendungsfall nehmen und ihn mit den Quantenalgorithmen verbinden konnte, die zur Lösung des Problems verwendet werden könnten“, kommentierte Violaris. „Angesichts des kurzen Zeitrahmens haben wir große Fortschritte gemacht und einige vielversprechende Ergebnisse erzielt, als wir den Algorithmus sowohl auf einem Quantensimulator als auch auf einem echten Quantenprozessor getestet haben. Es war eine großartige Möglichkeit, das Lernen zu beschleunigen.“

Dieser schnelle Fortschritt wurde zum Teil durch einen strukturierten Ansatz bei der Teamauswahl ermöglicht. Chiara Decaroli vom NQCC, die für die Organisation der Veranstaltung verantwortlich war, erklärt, dass angehende Hacker im Rahmen des Bewerbungsprozesses gebeten wurden, ihr Fähigkeitsniveau sowie ihre bisherigen Erfahrungen mit der Quantenprogrammierung anzugeben. „Wir haben Teams mit Leuten aus verschiedenen Disziplinen und mit unterschiedlichen Fähigkeiten zusammengestellt, darunter auch relative Anfänger im Quantenbereich, die wussten, wie man Algorithmen oder Modelle baut“, erklärte sie. „Die Teams erkannten schnell, wer von ihnen über das Fachwissen für die jeweilige Aufgabe verfügte, und das hatte enorme Auswirkungen auf die Ergebnisse, die sie in sehr kurzer Zeit erzielten.“

Der Masterstudent Eden Schirman vom Imperial College London spürte zweifellos die Vorteile dieses Ansatzes. Er wurde einem Team zugeteilt, das mit THALES zusammenarbeitete, um einen Quantenalgorithmus zur Erkennung von Anomalien in den von U-Booten aufgezeichneten Sonardaten zu entwickeln, die von feindlichen U-Booten oder Raketen mit unbekannter Signatur erzeugt werden könnten. „Am Anfang habe ich darum gebeten, in ein Team mit anderen Leuten von Imperial aufgenommen zu werden, aber es war eine kluge Entscheidung, die Teams zu mischen“, sagte er. „Es war gut, mit neuen Leuten zusammenzuarbeiten, neuen Ideen zuzuhören und an einem Quantenalgorithmus zu arbeiten, der mit meiner Forschung verwandt, aber nicht identisch ist. Es hat mir neue Wege für die Entwicklung von Quantenalgorithmen eröffnet.“

Schirman schätzte auch den Input von THALES und den technischen Experten von IBM. „Unser Branchenmentor erzählte uns vom Anwendungsfall und den Daten sowie den klassischen Implementierungen und Algorithmen, die typischerweise verwendet werden, während zwei Spezialisten von IBM uns während der gesamten Veranstaltung bei der Implementierung und mit neuen Ideen für Quantenalgorithmen unterstützten.“ Es war wirklich hilfreich, Zugang zu diesem Wissen zu haben und eine andere Sichtweise zu bekommen.“

Am Ende des Hackathons – nur 30 Stunden nach Beginn am Vortag – präsentierten die Teams ihre Lösungen allen anderen Teilnehmern sowie einer Jury, zu der Cuthbert, Decaroli und Quantenexperten aus Industrie und Wissenschaft gehörten. „Alle Präsentationen waren großartig“, sagte Decaroli. „Die Kriterien für uns Juroren bestanden darin, die Kreativität der Lösung zu prüfen, ob das Team die Skalierbarkeit seines Ansatzes auf leistungsfähigere Quantenmaschinen untersucht hatte und wie gut es seine Ergebnisse präsentierte und etwaige Fragen beantwortete.“

Das Gewinnerteam, das sich Quassian nannte, hatte mit MDBA an einem Ansatz für quantenmaschinelles Lernen gearbeitet, um komplexe Simulationen in der Luft- und Raumfahrttechnik zu beschleunigen. Die von Smalley betreute Rolls-Royce-Gruppe belegte den zweiten Platz, während der dritte Platz an ein von BT gesponsertes Team ging, das verschiedene Quanten- und klassische Methoden zur Optimierung der Leistung von 2D-Antennenarrays testete. „Alle Präsentationen zeigten in den letzten Tagen enorme Arbeit, Engagement und Begeisterung“, kommentierte Cuthbert, bevor er den Gewinnerteams die Preise überreichte. „Sie haben Freunde und Kontakte gefunden, die Ihnen für den Rest Ihrer Karriere erhalten bleiben, und ich hoffe, dass dies erst der Anfang Ihrer Beschäftigung mit Quantencomputing und dem NQCC ist.“

Der Erfolg der Veranstaltung ebnet den Weg für zukünftige Hackathons, die sich höchstwahrscheinlich auf bestimmte Branchen konzentrieren werden, um mehr Nachwuchskräfte zur Teilnahme zu ermutigen. Darüber hinaus bietet es dem NQCC-Team ein nützliches Sprungbrett für sein fortlaufendes Engagement im wachsenden britischen Quantenökosystem. „Der Hackathon umfasst alle Schlüsselelemente von SparQ, jedoch in kleinerem Maßstab“, sagte Decaroli. „Wir können diese Hackathon-Vorlage auf längerfristige Projekte ausweiten, bei denen Quantenentwickler, Endbenutzer und Technologieanbieter zusammenarbeiten können, um komplexere Lösungen zu entwickeln und diese auf mehreren Hardwareplattformen zu testen.“