La colaboración proporciona un catalizador para la aceleración cuántica

El Premio Nobel de Física de 2022 reconoció los experimentos pioneros de Alain Aspect, John Clauser y Anton Zeilinger que demostraron por primera vez el potencial de los sistemas cuánticos para procesar información. Varias décadas más tarde, los científicos e ingenieros tanto de la industria como del mundo académico están aprovechando estos logros para crear computadoras cuánticas funcionales que ofrecen una tentadora visión de su potencial para abordar problemas complejos en una variedad de aplicaciones.

Si bien el progreso hasta la fecha ha sido impresionante, se necesita mucho más trabajo para crear computadoras cuánticas que puedan superar a sus contrapartes clásicas. Los procesadores cuánticos de pequeña escala de hoy en día están impulsando la cantidad de qubits hacia el rango de 100 a 1000, pero se ven afectados por el ruido y los errores que limitan sus capacidades computacionales. Ampliar la tecnología para lograr una amplia ventaja cuántica requerirá ingenio científico y conocimientos de ingeniería en muchas disciplinas diferentes, así como una estrecha colaboración entre los sectores académico y comercial.

En el Reino Unido esa colaboración ha sido impulsada a través de la Programa Nacional de Tecnologías Cuánticas (NQTP), una iniciativa de mil millones de libras esterlinas que desde 1 ha apoyado centros tecnológicos en detección cuántica, imágenes, comunicaciones y computación. “Tenemos un ecosistema rico que está trabajando en conjunto para impulsar la ampliación de las computadoras cuánticas para ofrecer aplicaciones útiles”, dice Elham Kashefi, profesor de computación cuántica en la Universidad de Edimburgo y director de investigación del CNRS en la Universidad de la Sorbona en París.

Kashefi acaba de ser nombrado Jefe Científico del Reino Unido Centro Nacional de Computación Cuántica (NQCC), una instalación nacional lanzada en 2020 como un programa insignia del NQTP. El NQCC tiene como objetivo acelerar la entrega de la computación cuántica en el Reino Unido al asociarse con grupos de investigación y el sector comercial para abordar los desafíos de escalamiento.

“Parte de mi función en el NQCC será reunir a los desarrolladores de aplicaciones y los usuarios finales para impulsar el desarrollo de dispositivos útiles”, dice Kashefi. “Ahora estamos en la etapa en la que los requisitos de los algoritmos pueden influir en el diseño del hardware, lo que nos permite cerrar la brecha entre el caso de uso deseado y la máquina emergente”.

Con experiencia en informática, Kashefi ha sido durante mucho tiempo un defensor del papel que pueden desempeñar el software y los algoritmos en el desarrollo de soluciones cuánticas. Coordinó el programa de investigación de software dentro de la Centro de simulación y computación cuántica (QCS), un consorcio de universidades del Reino Unido respaldado por NQTP que se centra en los desafíos científicos críticos para la computación cuántica. El centro ha sido la plataforma de lanzamiento para una serie de empresas emergentes que defienden diferentes soluciones de hardware y software, y ahora trabaja con el NQCC para hacer crecer el ecosistema de computación cuántica del Reino Unido mediante la traducción de las fortalezas de la investigación en tecnologías innovadoras.

Como parte de su nuevo cargo, Kashefi trabajará con el NQCC para establecer un Quantum Software Lab en la Universidad de Edimburgo, una iniciativa central que ampliará aún más la huella nacional del programa del NQCC. “El desafío de escalabilidad al que nos enfrentamos ahora con los qubits físicos es un problema que la informática y el software de aplicaciones pueden ayudar a resolver”, dice. “Podemos optimizar los requisitos para los qubits mediante el desarrollo conjunto del software y los sistemas de control para abordar las necesidades de la aplicación”.

Tal desarrollo conjunto exige un enfoque multidisciplinario que combine el conocimiento del hardware cuántico y el procesamiento de la información con la experiencia de matemáticos e informáticos que saben cómo abordar problemas computacionales complejos.

“Conectarnos con la riqueza de conocimientos que tenemos en informática clásica nos permitirá optimizar las arquitecturas de sistemas y los sistemas de control, así como los protocolos para la mitigación y corrección de errores, para obtener el mejor resultado de las plataformas de hardware”, dice Kashefi. “Como ejemplo, las personas que trabajan en computación de alto rendimiento han dedicado mucho tiempo a descubrir cómo resolver problemas de optimización, y sus aportes ayudarán a acelerar el desarrollo de soluciones cuánticas que brindan una ventaja computacional”.

Una vía prometedora es el desarrollo de enfoques híbridos que combinan dispositivos cuánticos emergentes con infraestructura informática clásica. Como ejemplo, el NQCC es un socio en el Colaboración QuPharma, un proyecto de £ 6.8 millones que tiene como objetivo reducir radicalmente el tiempo necesario para ejecutar simulaciones moleculares para el descubrimiento de fármacos.

Dirigido por el desarrollador de hardware SEEQC Reino Unido El proyecto, que involucra al gigante farmacéutico alemán Merck KgaA, tiene como objetivo combinar el procesador cuántico de SEEQC con una supercomputadora clásica para crear una plataforma más poderosa para el diseño de fármacos. “Necesitamos comprender los puntos débiles de la industria para que podamos traducirlos en problemas de investigación que la computación cuántica podría resolver”, señala Kashefi.

Dichos proyectos de colaboración se basan en la experiencia científica albergada dentro del sector académico del Reino Unido, que ha fomentado la investigación de clase mundial en teoría cuántica, software y algoritmos, así como el trabajo experimental que investiga todas las arquitecturas qubit líderes.

"Como alguien que se centra en las aplicaciones y la verificación, me ha encantado tener acceso a plataformas qubit que van desde circuitos superconductores e iones atrapados hasta dispositivos fotónicos y basados ​​en silicio", dice Kashefi. “Cuando escribimos el código, debemos ser conscientes de las capacidades y limitaciones de cada plataforma qubit, ya que algunas aplicaciones pueden ser más adecuadas para el modelo de ruido o la conectividad que ofrece una solución de hardware en particular”.

La industria cuántica emergente también se beneficia de la solidez de la base científica dentro del Reino Unido, con muchas nuevas empresas cuánticas que mantienen estrechos vínculos con sus antiguos grupos de investigación para hacer avanzar la tecnología y acelerar sus programas de desarrollo.

“El sector académico actúa como una fábrica de ideas”, dice David Lucas, investigador principal del QCS Hub y codirector del grupo de computación cuántica de iones atrapados en la Universidad de Oxford. “Ampliar la tecnología es un desafío de ingeniería que se extiende más allá de las capacidades de un solo departamento de investigación universitario”. De hecho, una función clave del NQCC es proporcionar la infraestructura y facilitar la colaboración que se necesitará para abordar estos desafíos de ingeniería.

Esa sinergia entre la industria y la academia ha sido particularmente eficaz en el desarrollo de la plataforma Maxwell, un sistema comercial de computación cuántica de átomos neutros demostrado por m cuadrado, un desarrollador de fotónica y tecnologías cuánticas, en el Reino Unido Exhibición nacional de tecnologías cuánticas en noviembre de 2022. La versión actual del sistema puede admitir 100 qubits, y el CEO de M Squared, Graeme Malcolm, dice que hay una ruta clara para escalar la tecnología a 400 qubits y más.

“Para crear Maxwell, formamos una asociación estratégica con la Universidad de Strathclyde, que ha brindado a nuestra empresa acceso a física revolucionaria de primer nivel”, dice Malcolm. “Ha sido genial tener un departamento universitario tan sólido justo en nuestra puerta en el que podemos apoyarnos para obtener experiencia especializada, mientras que hemos podido aportar la capacidad de ingeniería necesaria para desarrollar un producto confiable”.

Maxwell se basa en una arquitectura qubit de átomo neutral perfeccionada por Jonathan Pritchard y su equipo de investigación en Strathclyde. La plataforma experimental, que se basa en la tecnología láser central de M Squared para manipular las transiciones de energía en átomos ultrafríos, se desarrolló a través de una asociación de prosperidad EPSRC llamada Cuadrado.

“Trabajamos en estrecha colaboración con los ingenieros fotónicos de M Squared para optimizar el rendimiento de los láseres y, en algunos casos, para diseñar nuevos dispositivos adaptados a los procesos atómicos específicos que necesitamos”, dice Pritchard. Mientras tanto, el desarrollo del sistema comercial fue posible gracias a la DESCUBRIMIENTO program, un proyecto de 10 millones de libras esterlinas coordinado por M Squared y respaldado por el programa Quantum Technologies Challenge de Innovate UK para abordar las barreras tecnológicas a la computación cuántica comercial.

Uno de los próximos pasos de la colaboración será trabajar con Andrew Daley, experto en simulación cuántica y computación de la Universidad de Strathclyde, para desarrollar algoritmos cuánticos que demuestren la capacidad de la plataforma. En 2021, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Harvard en los EE. UU. mostró que un sistema de átomos neutros compuesto por 256 qubits podría usarse para simular y observar el comportamiento cuántico de sistemas de muchos cuerpos, y a principios de este año el equipo usó un sistema de 289 qubits. versión para demostrar un camino hacia la ventaja cuántica para una clase específica de algoritmos cuánticos analógicos.

“El sistema que hemos desarrollado con la Universidad de Strathclyde es competitivo con las mejores computadoras cuánticas de átomos neutros del mundo”, dice Malcolm. “Ahora queremos poner algunos de esos algoritmos en el hardware que hemos demostrado y establecer asociaciones para ver dónde puede ofrecer valor para los desafíos del mundo real”.

Esa necesidad de implementar protocolos sólidos de evaluación comparativa y certificación es otra prioridad importante para Kashefi y el NQCC. Dentro de su propio programa de investigación, Kashefi se ha centrado en el desarrollo de herramientas para la verificación y las pruebas, que cree que ayudarán a acelerar el desarrollo de las tecnologías más prometedoras.

“Cuando surgen diferentes dispositivos, necesitamos saber cómo evaluarlos y cómo comparar su desempeño con otras plataformas”, dice. “Un marco de prueba confiable brinda retroalimentación crucial que nos permitirá hacer una transición más rápida a un nuevo régimen”.

En 2021, el NQCC encargó carril fluvial, especialista en software y algoritmos cuánticos, para desarrollar un conjunto de evaluación comparativa que permita comparar el rendimiento entre diferentes tipos de procesadores cuánticos. Un consorcio liderado por el Laboratorio Nacional de Física también está investigando métricas clave para la computación cuántica, con miras a desarrollar estándares abiertos para sustentar el desarrollo tecnológico internacional. “El NQCC no está tratando de impulsar ninguna solución de hardware en particular, pero poder comparar diferentes plataformas será realmente útil para estimular nuestro propio programa de desarrollo, así como el ecosistema más amplio”, dice Kashefi.

Dicha evaluación comparativa también permitirá comprender dónde las soluciones cuánticas ofrecen una ventaja genuina sobre las arquitecturas informáticas clásicas. “La computación cuántica es una tecnología sorprendente y revolucionaria, pero en última instancia es solo otra herramienta computacional”, continúa Kashefi. "La evaluación comparativa adecuada nos permitirá comprender qué tareas se adaptan mejor a una computadora clásica y cuáles pueden mejorarse con una solución cuántica".

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