Toby Cubitt: γιατί οι αλγόριθμοι θα επιταχύνουν τις εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών – Physics World

Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται πολλά γιατί θα μπορούσαν, τουλάχιστον κατ' αρχήν, να λύσουν ορισμένα προβλήματα που δεν μπορούν να λυθούν ακόμη και από τους πιο ισχυρούς συμβατικούς υπερυπολογιστές. Αλλά η κατασκευή κβαντικών bit ή qubits – και η σύνδεσή τους για τη δημιουργία πρακτικών κβαντικών υπολογιστών – είναι μια τεράστια πρόκληση. Συγκεκριμένα, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι απίστευτα θορυβώδεις, γεγονός που εισάγει γρήγορα σφάλματα στους κβαντικούς υπολογισμούς.

Γι' αυτό πολλοί ερευνητές αναπτύσσουν έξυπνους κβαντικούς αλγόριθμους που μπορούν να κάνουν χρήσιμους υπολογισμούς ακόμη και στους σημερινούς μικρούς, θορυβώδεις κβαντικούς υπολογιστές. Μία εταιρεία που συμβάλλει σε αυτή την προσπάθεια είναι Phasecraft, το οποίο αποσχίστηκε από το University College του Λονδίνου και το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ το 2019. Ο φυσικός Toby Cubitt, συνιδρυτής και επικεφαλής τεχνολογίας της Phasecraft, μιλά στον Hamish Johnston για το πώς οι εφαρμογές του πραγματικού κόσμου θα μπορούσαν να είναι προ των πυλών.

Γιατί δημιουργήσατε αρχικά το Phasecraft;

Ιδρύσαμε το Phasecraft επειδή ο κβαντικός υπολογισμός έφτασε στο σημείο όπου το υλικό κβαντικών υπολογιστών δεν ήταν πλέον απλώς ένα σύστημα παιχνιδιών, αλλά ωθούσε τα όρια του τι θα μπορούσε να γίνει σε συμβατικούς υπολογιστές. Θέλαμε να προσπαθήσουμε να αναπτύξουμε τους αλγόριθμους που απαιτούνται για να κάνουμε χρήση αυτού του υλικού πρώιμου σταδίου και να κάνουμε τις κβαντικές εφαρμογές πραγματικότητα. Αυτή είναι μια τεράστια πρόκληση επιστημονικά, αλλά μια συναρπαστική πρόκληση που πρέπει να συμμετάσχετε.

Πόσο μεγάλη είναι η εταιρεία αυτή τη στιγμή;

Αυτή τη στιγμή έχουμε περίπου 20 άτομα πλήρους απασχόλησης, περίπου το ένα τρίτο εκ των οποίων έχει υπόβαθρο στους κβαντικούς υπολογιστές ή στη θεωρία της κβαντικής πληροφορίας, το ένα τρίτο στην επιστήμη των υλικών, στη συμπυκνωμένη ύλη και στη χημεία και το ένα τρίτο στην πλευρά των υπολογιστών. Όλοι έχουν γνώσεις κβαντικών υπολογιστών, αλλά είναι επίσης πολύ, πολύ καλοί – και αγαπούν – να προγραμματίζουν αυτό το υλικό, να το εφαρμόζουν και να το κάνουν να δουλεύει στο υλικό.

Χορηγούμε διδακτορικούς φοιτητές που βρίσκονται σε μέρη όπως το University College του Λονδίνου και το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, αλλά που εργάζονται απευθείας εδώ στα γραφεία της εταιρείας. Έχουμε επίσης πολλούς ασκούμενους – τόσο προπτυχιακούς όσο και διδακτορικούς φοιτητές. Είμαστε πολύ επικεντρωμένοι στην έρευνα και την ανάπτυξη αυτή τη στιγμή. Αλλά καθώς οι χρήσιμες εφαρμογές έρχονται στο διαδίκτυο, περιμένω τα πράγματα να γίνουν πολύ πιο εμπορικά.

Θα λέγατε ότι το κβαντικό λογισμικό έχει αγνοηθεί προς όφελος όλης της διαφημιστικής εκστρατείας και του ενθουσιασμού της ανάπτυξης νέων qubits και τεχνολογιών επεξεργαστών;

Το υλικό είναι εξαιρετικά σημαντικό και αξίζει την προσοχή που του δόθηκε, καθώς περιλαμβάνει κάποια συναρπαστική φυσική, επιστήμη υλικών και μηχανική. Αλλά για εμάς από την πλευρά του λογισμικού, το παν είναι να βρούμε έξυπνες μαθηματικές ιδέες για να κάνουμε τους αλγόριθμους πιο αποτελεσματικούς και να δουλεύουμε στις σημερινές κβαντικές συσκευές μικρής κλίμακας πρώιμου σταδίου. Στην πραγματικότητα, είναι πιο πιθανό να σημειώσουμε πρόοδο μέσω καλύτερων αλγορίθμων παρά περιμένοντας βελτιώσεις στο υλικό.

Ακόμα κι αν το κβαντικό υλικό αυξήθηκε εκθετικά, θα μπορούσε να περάσει μια δεκαετία για να μπορέσετε να κάνετε οτιδήποτε χρήσιμο με αυτό. Η εργασία σε αλγόριθμους δεν απαιτεί επίσης ακριβούς κρυοστάτες, ψυγεία αραίωσης, υγρό ήλιο ή τσιπ – απλώς μια δέσμη πραγματικά έξυπνων ανθρώπων που σκέφτονται βαθιά, αυτό που έχουμε στο Phasecraft. Πριν από μερικά χρόνια, για παράδειγμα, αναπτύξαμε αλγόριθμους για την προσομοίωση της δυναμικής του χρόνου των κβαντικών συστημάτων που ήταν περίπου έξι τάξεις μεγέθους καλύτεροι από αυτούς της Google και της Microsoft.

Οι κβαντικοί επεξεργαστές είναι θορυβώδεις, πράγμα που σημαίνει ότι χάνουν γρήγορα τη συνοχή και καθιστούν αδύνατον τους υπολογισμούς. Πώς αναπτύσσετε πρακτικούς αλγόριθμους για εκτέλεση σε ατελείς συσκευές;

Ο θόρυβος και τα σφάλματα είναι ο όλεθρος όλων των κβαντικών εφαρμογών σε πραγματικό υλικό. Έχουν γίνει μερικές απίστευτες βελτιώσεις στο υλικό, αλλά δεν μπορούμε να υποθέσουμε ότι οι κβαντικοί υπολογιστές είναι τέλειοι, όπως μπορούμε με τις κλασικές συσκευές. Έτσι, με όλα όσα κάνουμε στο Phasecraft, πρέπει να σκεφτόμαστε με όρους ατελούς, θορυβώδεις κβαντικούς υπολογιστές που έχουν σφάλματα. Εκτελέστε οποιονδήποτε υπολογισμό και τα σφάλματα συσσωρεύονται τόσο γρήγορα που απλώς εξαφανίζεται ο θόρυβος - τυχαία δεδομένα - και έχετε χάσει όλες τις κβαντικές πληροφορίες.

Για να ξεπεράσετε αυτό το πρόβλημα, είναι σημαντικό να κάνετε τους αλγόριθμους όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικούς και να τους κάνετε λιγότερο ευαίσθητους ή ευαίσθητους στο θόρυβο. Είναι αλήθεια ότι τη δεκαετία του 1990 Πήτερ Σορ ανέπτυξε την έννοια της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων και το Θεώρημα κατωφλίου ανοχής σε σφάλματα, που δείχνει, θεωρητικά, ότι ακόμη και σε θορυβώδεις κβαντικούς υπολογιστές, μπορείτε να εκτελέσετε αυθαίρετα μεγάλους υπολογισμούς κβαντικών υπολογισμών. Αλλά αυτό απαιτεί τόσο τεράστιους αριθμούς qubits που δεν μπορούμε να το υπολογίζουμε ως λύση.

Επομένως, η εστίασή μας είναι περισσότερο ένα πρόβλημα μηχανικού τύπου, όπου προσπαθούμε να κατανοήσουμε λεπτομερώς πώς φαίνεται ο θόρυβος. Όσο καλύτερα κατανοούμε τον θόρυβο, τόσο περισσότερα μπορούμε να σχεδιάσουμε γύρω από αυτόν, ώστε να μην επηρεάζει το αποτέλεσμα. Αλλά υπάρχει μια μεγάλη ανταμοιβή γιατί αν μπορείτε να κάνετε έναν αλγόριθμο λιγότερο περίπλοκο, μπορείτε να πάρετε κάτι χρήσιμο από αυτούς τους θορυβώδεις κβαντικούς υπολογιστές. Το θέμα είναι να σχεδιάσουμε τους αλγόριθμους, ώστε να μπορούμε να αποσπάσουμε περισσότερους από αυτούς.

Λέω συχνά ότι οι σημερινοί κβαντικοί υπολογιστές είναι εκεί που βρίσκονταν οι κλασικοί υπολογιστές τη δεκαετία του 1950. Τότε αρέσει στον κόσμο Alan Turing σκέφτηκαν πολύ έξυπνες ιδέες για το πώς να αποσπάσετε λίγο περισσότερο από το βαρύ πρωτόγονο υλικό και να κάνετε πραγματικά απίστευτα πράγματα με αυτό. Αυτό είναι το στάδιο στο οποίο βρισκόμαστε με τους κβαντικούς υπολογιστές. Στην πραγματικότητα, ορισμένοι αλγόριθμοι είναι μερικές φορές πιο κατάλληλοι για έναν τύπο υλικού από έναν άλλο.

Από πλευράς υλικού, τι είδους qubits χρησιμοποιείτε αυτή τη στιγμή;

Στη Phasecraft μας ενδιαφέρουν όλα τα είδη υλικού. Κυρίως, όμως, χρησιμοποιούμε υπεραγώγιμα κυκλώματα qubit, επειδή αυτή είναι η τρέχουσα κορυφαία πλατφόρμα υλικού. Αλλά τρέχουμε παγίδες ιόντων και σε υλικό ψυχρού ατόμου και σκεφτόμαστε επίσης το φωτονικό υλικό. Αλλά δεν είμαστε συνδεδεμένοι με μια συγκεκριμένη πλατφόρμα.

Η εστίαση του Phasecraft είναι σε αλγόριθμους που υπολογίζουν τις ιδιότητες του υλικού. Γιατί αυτές οι εφαρμογές είναι τόσο κατάλληλες για τους σημερινούς πρώιμους κβαντικούς υπολογιστές;

Στη βιομηχανία, πολλές εταιρείες ξοδεύουν πολύ χρόνο και χρήμα χρησιμοποιώντας κλασικούς υπολογιστές υψηλής απόδοσης για να υπολογίσουν τις ιδιότητες των υλικών. Το πρόβλημα είναι ότι είναι πολύ υπολογιστικά εντατικό, οπότε καταλήγουν να προσπαθούν να απλοποιήσουν το πρόβλημα. Αλλά ο κίνδυνος είναι ότι μπορείτε να κάνετε τα πράγματα εντελώς στραβά. Για παράδειγμα, μπορεί να καταλήξετε να προβλέψετε ότι ένα υλικό είναι μονωτής ενώ στην πραγματικότητα είναι αγωγός. Μπορεί να είναι τόσο λάθος μερικές φορές.

Στο Phasecraft, εστιάζουμε στη μοντελοποίηση και την προσομοίωση υλικών, επειδή αυτές οι εφαρμογές βρίσκονται σε κοντινή απόσταση από το τρέχον υλικό. Άλλες εφαρμογές, όπως η βελτιστοποίηση, είναι πιο απαιτητικές όσον αφορά τον αριθμό των qubits και των πυλών που χρειάζεστε. Καθώς το υλικό βελτιώνεται, οι προσομοιώσεις κβαντικής χημείας θα γίνονται εφικτές. Είναι πιο δύσκολο να προσομοιωθούν από τα περιοδικά, κρυσταλλικά υλικά, επειδή η πολυπλοκότητα ενός αλγορίθμου στα μοριακά συστήματα κλιμακώνεται ως ο αριθμός των τροχιακών ηλεκτρονίων στη δύναμη των τεσσάρων.

Μπορείτε να μας δώσετε μια γεύση από ορισμένα συγκεκριμένα υλικά που έχετε εξετάσει;

Προς το παρόν, το υλικό δεν είναι ακόμη αρκετά μεγάλο για να μπορεί να κάνει προσομοιώσεις πραγματικών υλικών πέρα ​​από αυτό που μπορεί να γίνει κλασικά. Επομένως, βρισκόμαστε ακόμα στο στάδιο όπου έχουμε τους αλγόριθμους, αλλά δεν έχουμε ακόμη το υλικό για να τρέξουμε, αν και πλησιάζει. Τούτου λεχθέντος, οι τύποι υλικών που αποτελούν καλούς στόχους για εφαρμογές πρώιμου σταδίου του κβαντικού υπολογισμού σχετίζονται με την καθαρή ενέργεια – υλικά μπαταρίας, πράγματα όπως οξείδια μετάλλων.

Τυχαίνει επίσης να είναι αυτοί όπου οι κλασικοί αλγόριθμοι δεν λειτουργούν πολύ καλά, επειδή περιλαμβάνουν ισχυρή συσχέτιση ηλεκτρόνια. Το ίδιο ισχύει και για τα φωτοβολταϊκά. Στην πραγματικότητα, έχουμε ένα συνεργασία με την Oxford PV, το οποίο συνεργάζεται με φωτοβολταϊκά περοβσκίτη, όπου και πάλι εξετάζουμε ισχυρά συσχετισμένα συστήματα ηλεκτρονίων. Αυτό περιλαμβάνει δυναμική προσομοίωση πραγμάτων όπως ο ρυθμός με τον οποίο τα ζεύγη σωματιδίων-οπών ανασυνδυάζονται για να εκπέμψουν φως.

Εξετάσαμε επίσης το βαναδικό στρόντιο, το οποίο τυχαίνει να έχει μια ωραία δομή ζώνης που σημαίνει ότι μπορεί να χωρέσει σε μικρότερο κβαντικό υπολογιστή από ορισμένα άλλα υλικά. Δεν είναι το μικρότερο, αλλά είναι ένα σύστημα οξειδίου μετάλλου που παρουσιάζει ενδιαφέρον και χρειάζεται λιγότερα qubits και λιγότερες πύλες από άλλα οξείδια μετάλλων.

Πότε πιστεύετε ότι το Phasecraft θα φτάσει στο σημείο του «κβαντικού πλεονεκτήματος» όπου οι αλγόριθμοί σας μπορούν να εκτελούνται σε έναν κβαντικό επεξεργαστή και να υπολογίζουν πράγματα που δεν μπορεί ένας υπερυπολογιστής;

Αυτή είναι η ερώτηση των εκατομμυρίων δολαρίων. Στην πραγματικότητα, είναι πιθανώς το ερώτημα των δισεκατομμυρίων δολαρίων. Η κβαντική βιομηχανία πρέπει να φτάσει σε εκείνο το σημείο όπου δεν επιδεικνύει απλώς προβλήματα παιχνιδιών, αλλά επιλύει προβλήματα του πραγματικού κόσμου σε κβαντικούς υπολογιστές.

Ελπίζω να μην ακούγομαι σαν τον τύπο που δήθεν είπε κάποτε Θα χρειαζόμασταν μόνο τρεις υπολογιστές στον κόσμο, αλλά ειλικρινά πιστεύω ότι μπορεί να φτάσουμε εκεί στα επόμενα δύο με τρία χρόνια. Αυτά τα πρώτα ερωτήματα μπορεί να έχουν επιστημονικό ενδιαφέρον παρά βιομηχανικό - η βιομηχανία μπορεί να είναι λίγο πιο πέρα ​​από αυτό το σημείο. Δεν πρόκειται να απενεργοποιήσετε τα συμπλέγματα υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC) σε μια νύχτα και να μετακινηθείτε απευθείας σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Είναι πολύ πιο πιθανό να είναι μια σταδιακή διαδικασία κατά την οποία όλο και περισσότερα χρήσιμα πράγματα θα έρχονται στο διαδίκτυο. Έτσι λειτουργεί η επιστήμη: σημειώνεις πρόοδο, χτυπάς ένα εμπόδιο και μετά κάνεις περισσότερη πρόοδο. Έχει την τάση να ανεβαίνει.

Η πρόοδος εξαρτάται από πολλή σκληρή δουλειά από μεγάλες ομάδες επιστημόνων που εργάζονται επιμελώς για πολλά χρόνια. Αυτό συμβαίνει στον κβαντικό υπολογισμό και οι πρώτες εφαρμογές μπορεί να μην βγουν στα πρωτοσέλιδα

Όταν τα ευρύτερα μέσα ενημέρωσης αναφέρουν για τους κβαντικούς υπολογιστές, τείνουν να υποθέτουν ότι τεράστιες ανακαλύψεις αναδύονται από το πουθενά. Αλλά δεν το κάνουν. Η πρόοδος εξαρτάται από πολλή σκληρή δουλειά από μεγάλες ομάδες επιστημόνων που εργάζονται επιμελώς για πολλά χρόνια. Αυτό συμβαίνει στον κβαντικό υπολογισμό και οι πρώτες εφαρμογές μπορεί να μην βγουν στα πρωτοσέλιδα. Αλλά οι επιστήμονες θα καταλάβουν όταν θα περάσουμε αυτό το όριο όπου μπορείτε να κάνετε πράγματα που είναι αδύνατα με τους συμβατικούς υπολογιστές. Δεν είμαστε μακριά.

Η Phasecraft έλαβε πρόσφατα 13 εκατομμύρια £ σε ιδιωτική χρηματοδότηση. Τι σκοπεύετε να κάνετε με αυτά τα μετρητά;

Για μια εταιρεία κβαντικών αλγορίθμων όπως η δική μας, η συντριπτική πλειονότητα της χρηματοδότησης πηγαίνει στην πληρωμή των μισθών των ανθρώπων. Το προσωπικό μας είναι το κλειδί – το πολυτιμότερο πλεονέκτημά μας είναι η ομάδα μας. Για μια εταιρεία υλικού είναι πολύ διαφορετικό, επειδή το υλικό είναι ακριβό. Αλλά χρειαζόμαστε ανθρώπους να σκέφτονται και να κωδικοποιούν έτσι ώστε τα χρήματα να μας επιτρέπουν να επεκτείνουμε σταθερά την ομάδα μας.

Πάντα έχουμε περισσότερες ιδέες από ό,τι έχουμε τους πόρους να ακολουθήσουμε και, καθώς πλησιάζουμε στην υλοποίηση μεγάλων υπολογισμών σε κβαντικούς υπολογιστές, θα κλιμακώνουμε την ομάδα. Απομένουν ακόμη μερικά χρόνια μέχρι να έχουμε εμπορικά σχετικές εφαρμογές, αλλά όταν συμβεί αυτό, θα περάσουμε από ένα σημείο καμπής και ολόκληρος ο κλάδος θα αλλάξει. Είμαστε πάντα πρόθυμοι να μιλήσουμε με έξυπνους ανθρώπους που είναι ενθουσιασμένοι με τη χρήση της κβαντικής μηχανικής για εφαρμογές πραγματικού κόσμου.

Πώς θα εξελιχθεί λοιπόν η εταιρεία;

Το μόνο που χρειάζεται είναι μια καταπληκτική, εξαιρετική ιδέα που θα μπορούσε να αλλάξει εντελώς ολόκληρη την κβαντική βιομηχανία. Θέλουμε να διασφαλίσουμε ότι θα δώσουμε στην ερευνητική μας ομάδα τον χώρο για να κάνει αυτό το είδος σκέψης για το γαλάζιο του ουρανού που θα μπορούσε να αλλάξει το πρόσωπο του πού πηγαίνει η εταιρεία. Σίγουρα, δεν θα λειτουργήσουν όλες οι ιδέες – 20 μπορεί να αποτύχουν, αλλά η 21η θα αποδειχθεί μια σημαντική νέα κατεύθυνση που κανείς άλλος δεν σκέφτηκε. Αυτό έχει συμβεί ήδη μερικές φορές στο Phasecraft. Κάποιος εμπνέεται και μετά ανοίγει μια νέα κατεύθυνση.

Οι κβαντικοί αλγόριθμοι χρησιμοποιούν έξυπνα το θορυβώδες υλικό

Βρισκόμαστε σε μια εξαιρετικά συναρπαστική στιγμή στον κβαντικό υπολογισμό. Είμαι ακόμα καθηγητής στο UCL, και έχω ακόμα μια ακαδημαϊκή ομάδα εκεί, αλλά βρίσκω και τις δύο πλευρές –εφαρμοσμένες και θεωρητικές– εξίσου διανοητικά ενδιαφέρουσες. Έχω κάνει θεωρίες για ορισμένα θέματα για 20 χρόνια, αλλά δεν έχω κανένα εργαλείο για να τα εφαρμόσω στην πράξη. Τώρα, όμως, μπορώ να πάρω αυτή τη θεωρία και να την κάνω πραγματικότητα. Αντί να γράφω απλώς ένα χαρτί, μπορώ να εκτελέσω την ιδέα μου σε υλικό.

Σίγουρα, μπορεί να μην λειτουργεί καθόλου. Θα μπορούσε να αποδειχθεί ότι το πραγματικό σύμπαν λέει: «Όχι. Δεν είναι καλή ιδέα». Αλλά θα μπορούσε να είναι ακόμα ένα απίστευτα χρήσιμο και συναρπαστικό πρόβλημα να αντιμετωπιστεί. Και έτσι η εφαρμοσμένη πλευρά της έρευνας – η εφαρμογή αυτής της φυσικής στην τεχνολογία – βρίσκω εξίσου συναρπαστική και ενδιαφέρουσα με την ακαδημαϊκή σκέψη του γαλάζιου ουρανού.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/