Το πρώτο hackathon κβαντικών υπολογιστών του Ηνωμένου Βασιλείου προκάλεσε ομάδες φοιτητών και επιστημόνων πρώιμης σταδιοδρομίας να επινοήσουν νέες κβαντικές λύσεις σε προβλήματα της πραγματικής ζωής
Εννέα ομάδες ερευνητών και επιστημόνων που άρχισαν τη σταδιοδρομία τους παρατάχθηκαν στα τέλη Ιουλίου για να διαγωνιστούν στο πρώτο του Ηνωμένου Βασιλείου hackathon κβαντικών υπολογιστών. Διοργανώθηκε από το Εθνικό Κέντρο Κβαντικών Υπολογιστών (NQCC) σε συνεργασία με QuantX, η εκδήλωση προκάλεσε τις ομάδες να επινοήσουν νέες κβαντικές λύσεις σε προβλήματα που τίθενται από τελικούς χρήστες όπως η BT, το NHS και η Rolls Royce.
Μέχρι το τέλος της διήμερης εκδήλωσης, αρκετές ομάδες είχαν τρέξει τους αλγόριθμούς τους σε κβαντικό υλικό που παρέχεται από τους συνεργάτες τεχνολογίας IBM, Oxford Quantum Circuits και AWS. Άλλοι, που είχαν αναπτύξει λύσεις πέρα από τις δυνατότητες των σημερινών κβαντικών επεξεργαστών, δοκίμασαν τις λύσεις τους σε κβαντικούς προσομοιωτές, με ειδικούς προγραμματισμού από κάθε έναν από τους παρόχους τεχνολογίας σε ετοιμότητα για να παρέχουν υποστήριξη και συμβουλές. "Έχουμε κάνει check-in με τις ομάδες σε όλη τη διάρκεια της εκδήλωσης και βοηθάμε με μερικούς από τους πιο τεχνικούς κώδικα", δήλωσε ο Frank Harkins της IBM. «Κάποιοι έχουν μια καλή εικόνα για το πού να πάνε και πώς να χρησιμοποιήσουν τον κώδικα, ενώ για κάποιους από τους άλλους έχουμε βοηθήσει με λίγη από τη θεωρία και τους αλγόριθμους».
Οι μέντορες από κάθε έναν από τους οργανισμούς τελικών χρηστών εργάστηκαν επίσης μαζί με τις ομάδες για να προσφέρουν γνώσεις ειδικού τομέα, να εξηγήσουν το πλαίσιο του προβλήματος και να καθοδηγήσουν τους χάκερ προς πιθανές λύσεις. Η πρόκληση που έθεσε η Rolls Royce, για παράδειγμα, ήταν να προβλέψει τη διάρκεια ζωής ενός κινητήρα τζετ με βάση τα δεδομένα που καταγράφηκαν κατά τη λειτουργία. «Πρώτα απ' όλα πλαισίωσα την περίπτωση χρήσης και από εκεί τους καθοδήγησα μέσω της κβαντικής μηχανικής μάθησης ως πιθανή προσέγγιση», σχολίασε ο μέντορας Jarrett Smalley, ένας από τους ειδικούς της εταιρείας στον κβαντικό υπολογισμό. «Κατασκεύασαν μια νέα προσέγγιση που συνδυάζει ορισμένες υπάρχουσες ιδέες μαζί με έναν νέο τρόπο και ήταν πολύ ωραίο να την παρακολουθούμε να εξελίσσεται από το τίποτα σε ένα λειτουργικό μοντέλο μέσα σε μόλις δύο ημέρες».
Ένα άλλο πρόβλημα, που έθεσε το NHS, προκάλεσε τους χάκερ να επινοήσουν μια στρατηγική για την κατανομή των ασθενών σε κρεβάτια, λαμβάνοντας επίσης υπόψη διάφορους περιορισμούς. «Είναι ένα εξαιρετικά περίπλοκο πρόβλημα που συνήθως επιλύεται από ανθρώπους στο έδαφος με πολλές γνώσεις τομέα», εξήγησε ο μέντορας Dan Schofield, ανώτερος επιστήμονας δεδομένων στη Διεύθυνση Μετασχηματισμού του NHS. «Είμαστε πιθανώς λίγα βήματα μακριά από την ύπαρξη οποιουδήποτε κβαντικού υπολογισμού στο NHS, αλλά ήταν πραγματικά ενδιαφέρον να μάθουμε πώς οι κβαντικές προσεγγίσεις θα μπορούσαν να είναι σε θέση να λύσουν το είδος των προβλημάτων που εξετάζουμε».
Το hackathon ήταν η πρώτη πρακτική εκδήλωση που διοργανώθηκε από το NQCC για να συγκεντρώσει κβαντικούς προγραμματιστές, τελικούς χρήστες και παρόχους τεχνολογίας για να εργαστούν σε προβλήματα του πραγματικού κόσμου. Τον Μάιο του 2022 κυκλοφόρησε το πρόγραμμα ανακάλυψης εφαρμογών SparQ, το οποίο στοχεύει να παρέχει στους τελικούς χρήστες την ευκαιρία να πειραματιστούν με κβαντικούς αλγόριθμους και υλικό για την αντιμετώπιση σχετικών περιπτώσεων χρήσης στον τομέα τους. «Το μόνο που έχει να κάνει είναι η ανάπτυξη της κοινότητας των χρηστών για τους κβαντικούς υπολογιστές», δήλωσε ο διευθυντής του NQCC Michael Cuthbert. «Δεν υπάρχει τίποτα σαν να τρέχετε μόνοι σας ένα κομμάτι κώδικα και να το εκτελείτε σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή, για να ασχοληθείτε με την τεχνολογία και να κατανοήσετε τις δυνατότητές της».
[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]
Ο Cuthbert έχει ενθαρρύνεται από το επίπεδο ενδιαφέροντος και δέσμευσης στο hackathon. «Είχαμε υπερσυνδρομή για μέρη και είχαμε τρομερή υποστήριξη από τους συνεργάτες μας στον κλάδο και τους παρόχους κβαντικής τεχνολογίας», είπε. «Οι ομάδες των χάκερ ήταν απίστευτα δεσμευμένες και ενθουσιώδεις –μερικοί εργάζονταν για τη λύση τους μέχρι τη νύχτα– και συνεργάστηκαν εξαιρετικά αποτελεσματικά για να βρουν μερικές εντυπωσιακές λύσεις σε σύντομο χρονικό διάστημα».
Για τους φοιτητές και τους ερευνητές που αποτελούσαν τις ομάδες, το hackathon πρόσφερε μια πολύτιμη εικόνα για το πλεονέκτημα που μπορεί να προσφέρουν οι βραχυπρόθεσμοι κβαντικοί αλγόριθμοι για βιομηχανικές εφαρμογές. Η Μαρία Βιολάρη, διδάκτορας από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, εργαζόταν πάνω σε ένα πρόβλημα καταδίωξης και φοροδιαφυγής που έθεσε η αμυντική εταιρεία MBDA. Η ομάδα της προσπαθούσε να εκπαιδεύσει ένα κβαντικό νευρωνικό δίκτυο για να βρει την καλύτερη στρατηγική για έναν κυνηγό (το «τέρας») να φτάσει στον στόχο (την «πριγκίπισσα») τον ταχύτερο δυνατό χρόνο – ένα πρόβλημα που δεν αφορά μόνο στον αμυντικό τομέα, αλλά και σε άλλες εφαρμογές όπως συστήματα ελέγχου κυκλοφορίας ή ασφάλειας σε μουσεία και γκαλερί τέχνης.
«Ήταν πολύ καλό να έχεις δύο ημέρες όπου είσαι πλήρως συγκεντρωμένος σε ένα έργο και να παίρνεις μια περίπτωση χρήσης και να τη συνδέσεις ξανά με τους κβαντικούς αλγόριθμους που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση του προβλήματος», σχολίασε ο Βιολάρης. «Έχουμε σημειώσει μεγάλη πρόοδο λόγω του σύντομου χρονικού διαστήματος και δημιουργήσαμε μερικά πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα όταν δοκιμάσαμε τον αλγόριθμο τόσο σε έναν κβαντικό προσομοιωτή όσο και σε έναν πραγματικό κβαντικό επεξεργαστή. Ήταν ένας πολύ καλός τρόπος για να επιταχύνουμε τη μάθηση».
Μια τέτοια ταχεία πρόοδος κατέστη δυνατή εν μέρει από μια δομημένη προσέγγιση στην επιλογή της ομάδας. Η Chiara Decaroli του NQCC, η οποία ήταν υπεύθυνη για τη διοργάνωση της εκδήλωσης, εξηγεί ότι ζητήθηκε από υποψήφιους χάκερ να προσδιορίσουν το επίπεδο δεξιοτήτων τους καθώς και την προηγούμενη εμπειρία τους με τον κβαντικό προγραμματισμό ως μέρος της διαδικασίας αίτησης. «Δημιουργήσαμε ομάδες με ανθρώπους από διαφορετικούς κλάδους και με μια σειρά από ομάδες δεξιοτήτων, συμπεριλαμβανομένων σχετικών αρχαρίων στον κβαντικό τομέα που ήξεραν πώς να κατασκευάζουν αλγόριθμους ή μοντέλα», εξήγησε. «Οι ομάδες έσπευσαν να προσδιορίσουν ποιες από αυτές είχαν την τεχνογνωσία για να εκτελέσουν κάθε συγκεκριμένη εργασία και αυτό είχε τεράστιο αντίκτυπο στα αποτελέσματα που παρήγαγαν σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα».
Ο μεταπτυχιακός φοιτητής Eden Schirman από το Imperial College του Λονδίνου σίγουρα ένιωσε το όφελος αυτής της προσέγγισης. Ανατέθηκε σε μια ομάδα που εργαζόταν με την THALES για την ανάπτυξη ενός κβαντικού αλγόριθμου για την ανίχνευση ανωμαλιών σε δεδομένα σόναρ που καταγράφηκαν από υποβρύχια, τα οποία θα μπορούσαν να δημιουργηθούν από εχθρικά υποβρύχια ή πυραύλους με άγνωστη υπογραφή. «Στην αρχή ζήτησα να με βάλουν σε μια ομάδα με άλλους ανθρώπους από την Imperial, αλλά ήταν μια έξυπνη απόφαση να ανακατέψω τις ομάδες», είπε. «Ήταν καλό να συνεργάζομαι με νέους ανθρώπους, να ακούω νέες ιδέες και να δουλεύω πάνω σε έναν κβαντικό αλγόριθμο που σχετίζεται με την έρευνά μου, αλλά όχι το ίδιο. Μου άνοιξε το μυαλό σε νέες κατευθύνσεις για την ανάπτυξη κβαντικών αλγορίθμων».
Ο Schirman εκτίμησε επίσης τη συμβολή της THALES και των τεχνικών εμπειρογνωμόνων της IBM. «Ο μέντοράς του κλάδου μας μίλησε για την περίπτωση χρήσης και τα δεδομένα, καθώς και για τις κλασικές υλοποιήσεις και αλγόριθμους που χρησιμοποιούνται συνήθως, ενώ δύο ειδικοί από την IBM μας βοήθησαν σε όλη την εκδήλωση με την υλοποίηση και με νέες ιδέες για κβαντικούς αλγόριθμους. Ήταν πραγματικά χρήσιμο να έχεις πρόσβαση σε αυτή τη γνώση και να αποκτήσεις μια διαφορετική άποψη.”
Στο τέλος του hackathon –μόλις 30 ώρες αφότου ξεκίνησε την προηγούμενη μέρα– οι ομάδες παρουσίασαν τις λύσεις τους σε όλους τους υπόλοιπους συμμετέχοντες, καθώς και σε μια κριτική επιτροπή που περιελάμβανε τους Cuthbert, Decaroli και κβαντικούς ειδικούς τόσο από τη βιομηχανία όσο και από τον ακαδημαϊκό κόσμο. «Όλες οι παρουσιάσεις ήταν καταπληκτικές», είπε ο Decaroli. «Τα κριτήρια για εμάς τους κριτές ήταν να εξετάσουμε τη δημιουργικότητα της λύσης, εάν η ομάδα είχε ερευνήσει την επεκτασιμότητα της προσέγγισής της σε πιο ισχυρές κβαντικές μηχανές και πόσο καλά παρουσίασαν τα αποτελέσματά τους και απάντησαν σε τυχόν ερωτήσεις».
Η νικήτρια ομάδα, που ονομάστηκε Quassian, εργαζόταν με το MDBA σε μια προσέγγιση κβαντικής μηχανικής μάθησης για να επιταχύνει πολύπλοκες προσομοιώσεις στην αεροδιαστημική μηχανική. Η ομάδα Rolls Royce με καθοδήγηση του Smalley ήρθε δεύτερη, ενώ η τρίτη πήγε σε μια ομάδα που χρηματοδοτείται από το BT που δοκιμάζει διαφορετικές κβαντικές και κλασικές μεθόδους για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των συστοιχιών κεραιών 2D. «Όλες οι παρουσιάσεις έδειξαν τεράστιο όγκο δουλειάς, αφοσίωσης και ενθουσιασμού τις τελευταίες δύο ημέρες», σχολίασε ο Cuthbert, πριν παρουσιάσει τα βραβεία στις νικήτριες ομάδες. «Έχετε κάνει φίλους και επαφές που θα παραμείνουν μαζί σας για το υπόλοιπο της καριέρας σας και ελπίζω να είναι μόνο η αρχή της ενασχόλησής σας με τους κβαντικούς υπολογιστές και το NQCC».
Η επιτυχία της εκδήλωσης ανοίγει το δρόμο για μελλοντικά hackathons, που πιθανότατα επικεντρώνονται σε συγκεκριμένους κλάδους της βιομηχανίας για να ενθαρρύνουν περισσότερους επαγγελματίες που ξεκινούν την καριέρα τους να λάβουν μέρος. Παρέχει επίσης στην ομάδα NQCC ένα χρήσιμο εφαλτήριο για τη συνεχή ενασχόλησή της με το αναπτυσσόμενο κβαντικό οικοσύστημα του Ηνωμένου Βασιλείου. «Το hackathon περιλαμβάνει όλα τα βασικά στοιχεία του SparQ, αλλά σε μικρότερη κλίμακα», είπε ο Decaroli. «Μπορούμε να επεκτείνουμε αυτό το πρότυπο hackathon σε μακροπρόθεσμα έργα όπου οι κβαντικοί προγραμματιστές, οι τελικοί χρήστες και οι πάροχοι τεχνολογίας μπορούν να συνεργαστούν για να αναπτύξουν πιο σύνθετες λύσεις και να τις δοκιμάσουν σε πολλαπλές πλατφόρμες υλικού».
