Η συνεργασία παρέχει καταλύτη για την κβαντική επιτάχυνση

Το Νόμπελ Φυσικής 2022 αναγνώρισε πρωτοποριακά πειράματα από τους Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger που για πρώτη φορά απέδειξαν τις δυνατότητες των κβαντικών συστημάτων για την επεξεργασία πληροφοριών. Αρκετές δεκαετίες αργότερα, επιστήμονες και μηχανικοί τόσο στη βιομηχανία όσο και στον ακαδημαϊκό χώρο χτίζουν πάνω σε αυτά τα επιτεύγματα για να δημιουργήσουν λειτουργικούς κβαντικούς υπολογιστές που προσφέρουν μια δελεαστική ματιά στις δυνατότητές τους να αντιμετωπίζουν πολύπλοκα προβλήματα σε μια σειρά εφαρμογών.

Ενώ η πρόοδος μέχρι σήμερα ήταν εντυπωσιακή, χρειάζεται πολύ περισσότερη δουλειά για να δημιουργηθούν κβαντικοί υπολογιστές που μπορούν να ξεπεράσουν τους κλασσικούς ομολόγους τους. Οι σημερινοί κβαντικοί επεξεργαστές μικρής κλίμακας πιέζουν τώρα τον αριθμό των qubits στην περιοχή 100–1000, αλλά επηρεάζονται από θόρυβο και σφάλματα που περιορίζουν τις υπολογιστικές τους δυνατότητες. Η κλιμάκωση της τεχνολογίας για την επίτευξη ενός ευρέος κβαντικού πλεονεκτήματος θα απαιτήσει επιστημονική εφευρετικότητα και τεχνογνωσία μηχανικής σε πολλούς διαφορετικούς κλάδους, καθώς και στενή συνεργασία μεταξύ του ακαδημαϊκού και του εμπορικού τομέα.

Στο Ηνωμένο Βασίλειο αυτή η συνεργασία έχει οδηγηθεί μέσω του Εθνικό Πρόγραμμα Κβαντικών Τεχνολογιών (NQTP), μια πρωτοβουλία ύψους 1 δισ. λιρών που από το 2014 υποστηρίζει τεχνολογικούς κόμβους στην κβαντική ανίχνευση, την απεικόνιση, τις επικοινωνίες και τους υπολογιστές. «Έχουμε ένα πλούσιο οικοσύστημα που συνεργάζεται για να προωθήσει την κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών για να προσφέρει χρήσιμες εφαρμογές», λέει ο Elham Kashefi, καθηγητής κβαντικών υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και διευθυντής έρευνας CNRS στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι.

Ο Kashefi μόλις διορίστηκε Επικεφαλής Επιστήμονας του Ηνωμένου Βασιλείου Εθνικό Κέντρο Κβαντικών Υπολογιστών (NQCC), μια εθνική εγκατάσταση που ξεκίνησε το 2020 ως εμβληματικό πρόγραμμα του NQTP. Το NQCC στοχεύει να επιταχύνει την παράδοση του κβαντικού υπολογισμού στο Ηνωμένο Βασίλειο συνεργαζόμενος με ερευνητικές ομάδες και τον εμπορικό τομέα για την αντιμετώπιση των προκλήσεων κλιμάκωσης.

«Μέρος του ρόλου μου με το NQCC θα είναι να φέρω κοντά τους προγραμματιστές εφαρμογών και τους τελικούς χρήστες για να προωθήσουν την ανάπτυξη χρήσιμων συσκευών», λέει ο Kashefi. «Βρισκόμαστε τώρα στο στάδιο όπου οι απαιτήσεις των αλγορίθμων μπορούν να επηρεάσουν τη σχεδίαση του υλικού, επιτρέποντάς μας να κλείσουμε το χάσμα μεταξύ της επιθυμητής περίπτωσης χρήσης και της αναδυόμενης μηχανής».

Με υπόβαθρο στην επιστήμη των υπολογιστών, ο Kashefi υπήρξε εδώ και καιρό υποστηρικτής του ρόλου που μπορούν να παίξουν το λογισμικό και οι αλγόριθμοι στην ανάπτυξη κβαντικών λύσεων. Συντόνισε το ερευνητικό πρόγραμμα λογισμικού στο πλαίσιο του Hub κβαντικού υπολογισμού και προσομοίωσης (QCS)., μια κοινοπραξία πανεπιστημίων του Ηνωμένου Βασιλείου που υποστηρίζεται από το NQTP που εστιάζει στις κρίσιμες επιστημονικές προκλήσεις για τον κβαντικό υπολογισμό. Ο κόμβος αποτέλεσε το σημείο εκκίνησης για μια σειρά νεοσύστατων εταιρειών που υπερασπίζονται διαφορετικές λύσεις υλικού και λογισμικού και τώρα συνεργάζεται με το NQCC για την ανάπτυξη του οικοσυστήματος κβαντικών υπολογιστών του Ηνωμένου Βασιλείου, μετατρέποντας τα πλεονεκτήματα της έρευνας σε καινοτόμες τεχνολογίες.

Στο πλαίσιο του νέου της ρόλου, η Kashefi θα συνεργαστεί με το NQCC για τη δημιουργία ενός Quantum Software Lab στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, μια βασική πρωτοβουλία που θα επεκτείνει περαιτέρω το εθνικό αποτύπωμα του προγράμματος του NQCC. «Η πρόκληση επεκτασιμότητας που αντιμετωπίζουμε τώρα με τα φυσικά qubits είναι ένα πρόβλημα που μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση της επιστήμης των υπολογιστών και του λογισμικού εφαρμογών», λέει. «Μπορούμε να βελτιστοποιήσουμε τις απαιτήσεις για τα qubits αναπτύσσοντας από κοινού το λογισμικό και τα συστήματα ελέγχου για την αντιμετώπιση των αναγκών της εφαρμογής».

Αυτή η από κοινού ανάπτυξη απαιτεί μια διεπιστημονική προσέγγιση που συνδυάζει τη γνώση του κβαντικού υλικού και της επεξεργασίας πληροφοριών με την τεχνογνωσία μαθηματικών και επιστημόνων υπολογιστών που κατανοούν πώς να αντιμετωπίζουν πολύπλοκα υπολογιστικά προβλήματα.

«Η σύνδεση με τον πλούτο γνώσεων που έχουμε στην κλασική επιστήμη των υπολογιστών θα μας επιτρέψει να βελτιστοποιήσουμε τις αρχιτεκτονικές και τα συστήματα ελέγχου των συστημάτων, καθώς και τα πρωτόκολλα για τον μετριασμό και τη διόρθωση σφαλμάτων, για να έχουμε το καλύτερο αποτέλεσμα από τις πλατφόρμες υλικού», λέει ο Kashefi. «Για παράδειγμα, οι άνθρωποι που εργάζονται σε υπολογιστές υψηλής απόδοσης έχουν ξοδέψει πολύ χρόνο για να ανακαλύψουν πώς να λύσουν προβλήματα βελτιστοποίησης και η συμβολή τους θα βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανάπτυξης κβαντικών λύσεων που παρέχουν υπολογιστικό πλεονέκτημα».

Μια πολλά υποσχόμενη οδός είναι η ανάπτυξη υβριδικών προσεγγίσεων που συνδυάζουν τις αναδυόμενες κβαντικές συσκευές με την κλασική υπολογιστική υποδομή. Για παράδειγμα, το NQCC είναι συνεργάτης στο Συνεργασία QuPharma, ένα έργο 6.8 εκατομμυρίων λιρών που στοχεύει στη ριζική μείωση του χρόνου που απαιτείται για την εκτέλεση μοριακών προσομοιώσεων για την ανακάλυψη φαρμάκων.

Με επικεφαλής τον προγραμματιστή υλικού SEEQC ΗΒ και με τη συμμετοχή του γερμανικού φαρμακευτικού γίγαντα Merck KgaA, το έργο στοχεύει να συνδυάσει τον κβαντικό επεξεργαστή της SEEQC με έναν κλασικό υπερυπολογιστή για να δημιουργήσει μια πιο ισχυρή πλατφόρμα για το σχεδιασμό φαρμάκων. «Πρέπει να κατανοήσουμε τα σημεία πόνου στη βιομηχανία για να μπορέσουμε να τα μεταφράσουμε σε ερευνητικά προβλήματα που μπορεί να λύσει ο κβαντικός υπολογιστής», επισημαίνει ο Kashefi.

Τέτοια συλλογικά έργα βασίζονται στην επιστημονική τεχνογνωσία του ακαδημαϊκού τομέα του Ηνωμένου Βασιλείου, ο οποίος έχει καλλιεργήσει έρευνα παγκόσμιας κλάσης στην κβαντική θεωρία, το λογισμικό και τους αλγόριθμους καθώς και την πειραματική εργασία που διερευνά όλες τις κορυφαίες αρχιτεκτονικές qubit.

«Ως κάποιος που επικεντρώνεται σε εφαρμογές και επαλήθευση, είμαι ενθουσιασμένος που έχω πρόσβαση σε πλατφόρμες qubit που κυμαίνονται από υπεραγώγιμα κυκλώματα και παγιδευμένα ιόντα μέχρι φωτονικά και συσκευές με βάση το πυρίτιο», λέει ο Kashefi. "Όταν γράφουμε τον κώδικα, πρέπει να γνωρίζουμε τις δυνατότητες και τους περιορισμούς κάθε πλατφόρμας qubit, καθώς ορισμένες εφαρμογές μπορεί να είναι πιο κατάλληλες για το μοντέλο θορύβου ή τη συνδεσιμότητα που προσφέρει μια συγκεκριμένη λύση υλικού."

Η αναδυόμενη κβαντική βιομηχανία επωφελείται επίσης από τη δύναμη της επιστημονικής βάσης στο Ηνωμένο Βασίλειο, με πολλές κβαντικές νεοφυείς επιχειρήσεις να διατηρούν στενούς δεσμούς με τις πρώην ερευνητικές τους ομάδες για να προωθήσουν την τεχνολογία και να επιταχύνουν τα αναπτυξιακά τους προγράμματα.

«Ο ακαδημαϊκός τομέας λειτουργεί ως εργοστάσιο ιδεών», λέει ο David Lucas, ο κύριος ερευνητής του QCS Hub και συν-αρχηγός της ομάδας κβαντικών υπολογιστών παγιδευμένων ιόντων στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. «Η κλιμάκωση της τεχνολογίας είναι μια πρόκληση μηχανικής που εκτείνεται πέρα ​​από τις δυνατότητες ενός μόνο πανεπιστημιακού ερευνητικού τμήματος». Πράγματι, ένας βασικός ρόλος για το NQCC είναι να παρέχει την υποδομή και να διευκολύνει τη συνεργασία που θα χρειαστεί για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων μηχανικής.

Αυτή η συνέργεια μεταξύ της βιομηχανίας και του ακαδημαϊκού κόσμου ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματική στην ανάπτυξη της πλατφόρμας Maxwell, ενός εμπορικού συστήματος κβαντικών υπολογιστών ουδέτερου ατόμου που αποδείχθηκε από Μ τετράγωνο, προγραμματιστής φωτονικής και κβαντικών τεχνολογιών, στο Ηνωμένο Βασίλειο Βιτρίνα Εθνικών Κβαντικών Τεχνολογιών τον Νοέμβριο του 2022. Η τρέχουσα έκδοση του συστήματος μπορεί να υποστηρίξει 100 qubits και ο Διευθύνων Σύμβουλος της M Squared, Graeme Malcolm, λέει ότι υπάρχει μια σαφής διαδρομή για την κλιμάκωση της τεχνολογίας στα 400 qubits και πέρα.

«Για να δημιουργήσουμε το Maxwell, δημιουργήσαμε μια στρατηγική συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Strathclyde, το οποίο παρείχε στην εταιρεία μας πρόσβαση σε πρωτοποριακή φυσική παγκόσμιας κλάσης», λέει ο Malcolm. «Ήταν υπέροχο να έχουμε ένα τόσο ισχυρό πανεπιστημιακό τμήμα στην πόρτα μας στο οποίο μπορούμε να στηριχθούμε για εξειδικευμένη τεχνογνωσία, ενώ καταφέραμε να φέρουμε την τεχνική ικανότητα που απαιτείται για την ανάπτυξη ενός αξιόπιστου προϊόντος».

Το Maxwell βασίζεται σε μια αρχιτεκτονική qubit ουδέτερου ατόμου που τελειοποιήθηκε από τον Jonathan Pritchard και την ερευνητική του ομάδα στο Strathclyde. Η πειραματική πλατφόρμα, η οποία βασίζεται στην τεχνολογία λέιζερ πυρήνα του M Squared για τον χειρισμό των ενεργειακών μεταπτώσεων σε υπερψυχρά άτομα, αναπτύχθηκε μέσω μιας εταιρικής σχέσης EPSRC Prosperity που ονομάζεται Τετράγωνο.

«Δουλέψαμε στενά με τους μηχανικούς φωτονικών στο M Squared για να βελτιστοποιήσουμε την απόδοση των λέιζερ και σε ορισμένες περιπτώσεις για να σχεδιάσουμε νέες συσκευές προσαρμοσμένες στις συγκεκριμένες ατομικές διεργασίες που χρειαζόμαστε», λέει ο Pritchard. Εν τω μεταξύ, η ανάπτυξη του εμπορικού συστήματος έγινε δυνατή από την ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ πρόγραμμα, ένα έργο £ 10 εκατομμυρίων που συντονίζεται από την M Squared και υποστηρίζεται από το πρόγραμμα Quantum Technologies Challenge του Innovate UK για την αντιμετώπιση των τεχνολογικών φραγμών στον εμπορικό κβαντικό υπολογισμό.

Ένα από τα επόμενα βήματα για τη συνεργασία θα είναι η συνεργασία με τον Andrew Daley, έναν ειδικό στην κβαντική προσομοίωση και υπολογιστές στο Πανεπιστήμιο του Strathclyde, για την ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων που αποδεικνύουν την ικανότητα της πλατφόρμας. Το 2021 μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στις ΗΠΑ έδειξε ότι ένα σύστημα ουδέτερου ατόμου που αποτελείται από 256 qubits θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση και την παρατήρηση της κβαντικής συμπεριφοράς συστημάτων πολλών σωμάτων, και νωρίτερα φέτος η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα 289 qubit έκδοση σε επιδεικνύουν μια πορεία προς το κβαντικό πλεονέκτημα για μια συγκεκριμένη κατηγορία αναλογικών κβαντικών αλγορίθμων.

«Το σύστημα που έχουμε αναπτύξει με το Πανεπιστήμιο του Strathclyde είναι ανταγωνιστικό με τους καλύτερους κβαντικούς υπολογιστές ουδέτερου ατόμου στον κόσμο», λέει ο Malcolm. «Τώρα θέλουμε να βάλουμε μερικούς από αυτούς τους αλγόριθμους στο υλικό που έχουμε επιδείξει και να δημιουργήσουμε συνεργασίες για να δούμε πού μπορεί να προσφέρει αξία για τις προκλήσεις του πραγματικού κόσμου».

Αυτή η ανάγκη να τεθούν σε εφαρμογή ισχυρά πρωτόκολλα συγκριτικής αξιολόγησης και πιστοποίησης είναι μια άλλη σημαντική προτεραιότητα για τον Kashefi και το NQCC. Στο πλαίσιο του δικού της ερευνητικού προγράμματος, η Kashefi έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη εργαλείων για επαλήθευση και δοκιμές, τα οποία πιστεύει ότι θα βοηθήσουν στη γρήγορη παρακολούθηση της ανάπτυξης των πιο πολλά υποσχόμενων τεχνολογιών.

«Όταν εμφανίζονται διαφορετικές συσκευές, πρέπει να ξέρουμε πώς να τις αξιολογούμε και πώς να συγκρίνουμε την απόδοσή τους με άλλες πλατφόρμες», λέει. «Ένα αξιόπιστο πλαίσιο δοκιμών παρέχει κρίσιμη ανατροφοδότηση που θα μας επιτρέψει να μεταβούμε πιο γρήγορα σε ένα νέο καθεστώς».

Το 2021 τέθηκε σε λειτουργία το NQCC Riverlane, ειδικός στους κβαντικούς αλγόριθμους και το λογισμικό, για την ανάπτυξη μιας σουίτας συγκριτικής αξιολόγησης που θα επιτρέπει συγκρίσεις απόδοσης μεταξύ διαφορετικών τύπων κβαντικών επεξεργαστών. Μια κοινοπραξία υπό την ηγεσία του Εθνικού Εργαστηρίου Φυσικής διερευνά επίσης βασικές μετρήσεις για τον κβαντικό υπολογισμό, με σκοπό την ανάπτυξη ανοιχτών προτύπων για τη στήριξη της διεθνούς τεχνολογικής ανάπτυξης. «Το NQCC δεν προσπαθεί να προωθήσει κάποια συγκεκριμένη λύση υλικού, αλλά η δυνατότητα συγκριτικής αξιολόγησης διαφορετικών πλατφορμών θα είναι πραγματικά χρήσιμη για την τόνωση του δικού μας προγράμματος ανάπτυξης καθώς και του ευρύτερου οικοσυστήματος», λέει ο Kashefi.

Αυτή η συγκριτική αξιολόγηση θα επιτρέψει επίσης να κατανοήσουμε πού οι κβαντικές λύσεις προσφέρουν ένα πραγματικό πλεονέκτημα σε σχέση με τις κλασικές αρχιτεκτονικές υπολογιστών. «Ο κβαντικός υπολογισμός είναι μια εκπληκτική και επαναστατική τεχνολογία, αλλά τελικά είναι απλώς ένα ακόμη υπολογιστικό εργαλείο» συνεχίζει ο Kashefi. «Η σωστή συγκριτική αξιολόγηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε ποιες εργασίες ταιριάζουν καλύτερα σε έναν κλασικό υπολογιστή και ποιες μπορούν να βελτιωθούν με μια κβαντική λύση».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/