Toby Cubitt: miks algoritmid kiirendavad kvantarvutite rakendusi – Physics World

Kvantarvutid näitavad palju lubadusi, sest nad suudavad vähemalt põhimõtteliselt lahendada teatud probleeme, mida ei suuda murda isegi kõige võimsamad tavalised superarvutid. Kuid kvantbittide või kubitite ehitamine ja nende sidumine praktiliste kvantarvutite loomiseks on suur väljakutse. Eelkõige on kvantarvutid uskumatult mürarikkad, mis toob kiiresti kvantarvutustesse vigu.

Seetõttu töötavad paljud teadlased välja nutikaid kvantalgoritme, mis suudavad teha kasulikke arvutusi isegi tänapäeva väikestes mürarikastes kvantarvutites. Üks sellesse jõupingutusse panustav ettevõte on Phasecraft, mis eraldati Londoni ülikooli kolledžist ja Bristoli ülikoolist 2019. aastal. Füüsik Toby Cubitt, Phasecrafti kaasasutaja ja tehnoloogiajuht, räägib Hamish Johnstoniga sellest, kuidas pärismaailma rakendused võiksid olla kohe nurga taga.

Miks te Phasecrafti algselt seadistasite?

Asutasime Phasecrafti, kuna kvantarvutus oli jõudmas punkti, kus kvantarvuti riistvara ei olnud enam pelgalt mänguasjasüsteem, vaid nihutab tavaliste arvutitega tehtava piire. Tahtsime proovida välja töötada algoritme, mis on vajalikud selle varase faasi riistvara kasutamiseks ja kvantrakenduste reaalsuseks muutmiseks. See on teaduslikult suur väljakutse, kuid põnev väljakutse.

Kui suur ettevõte hetkel on?

Meil on praegu umbes 20 täiskohaga töötajat, kellest ligikaudu kolmandikul on taustaga kvantarvutus või kvantinformatsiooni teooria, kolmandik materjaliteaduses, kondenseeritud aines ja keemias ning kolmandikul arvutustehnika poolel. Neil kõigil on teadmised kvantarvutusest, kuid nad on ka väga-väga osavad – ja armastavad – seda kraami programmeerida, juurutada ja riistvaraga tööle panna.

Sponsoreerime doktorante, kes on sellistes kohtades nagu University College London ja Bristoli ülikool, kuid kes töötavad otse siin ettevõtte kontorites. Meil on ka palju praktikante – nii bakalaureuse- kui doktorante. Oleme praegu väga keskendunud uurimis- ja arendustegevusele. Kuid kuna kasulikud rakendused tulevad võrku, eeldan, et asjad muutuvad olemuselt palju kommertslikumaks.

Kas te ütleksite, et kvanttarkvara on ignoreeritud uute kubittide ja protsessoritehnoloogiate arendamise hüppe ja põnevuse kasuks?

Riistvara on äärmiselt oluline ja väärib sellele pühendatud tähelepanu, hõlmates põnevat füüsikat, materjaliteadust ja inseneriteadust. Kuid meie jaoks tarkvara poolel on see kõik nutikate matemaatiliste ideede väljamõtlemine, et muuta algoritmid tõhusamaks ja töötada tänapäeva varajases staadiumis väikesemahulistes kvantseadmetes. Tegelikult saavutame suurema tõenäosusega edusamme paremate algoritmide abil, kui ootame riistvara täiustusi.

Isegi kui kvantriistvara kasvaks plahvatuslikult, võib kuluda kümme aastat, enne kui saate sellega midagi kasulikku teha. Algoritmide kallal töötamine ei nõua ka kalleid krüostaate, lahjenduskülmikuid, vedelat heeliumi ega kiipe – vaid hulk tõeliselt nutikaid inimesi, kes mõtlevad sügavalt, mis meil Phasecraftis on. Näiteks paar aastat tagasi töötasime välja kvantsüsteemide aja dünaamika simuleerimiseks algoritmid, mis olid umbes kuue suurusjärgu võrra paremad kui Google'i ja Microsofti omad.

Kvantprotsessorid on mürarikkad, mis tähendab, et nad kaotavad kiiresti koherentsuse ja muudavad arvutused võimatuks. Kuidas arendate praktilisi algoritme ebatäiuslikes seadmetes töötamiseks?

Müra ja vead on kõigi reaalse riistvara kvantrakenduste häda. Riistvara osas on tehtud uskumatuid täiustusi, kuid me ei saa eeldada, et kvantarvutid on täiuslikud, nagu klassikaliste seadmete puhul. Nii et kõigega, mida Phasecraftis teeme, peame mõtlema ebatäiuslikele, mürarikastele kvantarvutitele, millel on vigu. Käivitage mis tahes arvutus ja vead kogunevad nii kiiresti, et teil on lihtsalt müra – juhuslikud andmed – ja kogu kvantteave on kadunud.

Selle probleemi lahendamiseks on ülioluline muuta algoritmid võimalikult tõhusaks ja muuta need vähem tundlikuks või vastuvõtlikuks müra suhtes. On tõsi, et 1990. aastatel Peeter Shor töötas välja kvantvigade korrigeerimise kontseptsiooni ja tõrketaluvuse läve teoreem, mis näitab teoreetiliselt, et isegi mürarohketes kvantarvutites saate käivitada suvaliselt pikki kvantarvutusi. Kuid selleks on vaja nii palju kubitte, et me ei saa sellele lahendusena loota.

Meie fookus on seega pigem inseneritüüpi probleem, kus püüame üksikasjalikult mõista, kuidas müra välja näeb. Mida paremini mõistame müra, seda rohkem saame selle ümber kujundada nii, et see ei mõjutaks tulemust. Kuid see on suur kasu, sest kui saate algoritmi vähem keerukaks muuta, saate nendest mürarikastest kvantarvutitest midagi kasulikku. Küsimus on algoritmide kujundamises, et saaksime neist rohkem välja pigistada.

Ma ütlen sageli, et tänapäeva kvantarvutid on seal, kus klassikalised arvutid olid 1950. aastatel. Toona meeldis inimestele Alan Turing tulid välja tõeliselt nutikate ideedega, kuidas kohmakast primitiivsest riistvarast natuke rohkem välja pigistada ja sellega tegelikult uskumatuid asju teha. Selles etapis me oleme kvantandmetöötlusega. Tegelikult sobivad teatud algoritmid mõnikord ühte tüüpi riistvara jaoks rohkem kui teise riistvara jaoks.

Mis tüüpi qubitte te praegu kasutate riistvara osas?

Phasecraftis oleme huvitatud igat tüüpi riistvarast. Kuid valdavalt kasutame ülijuhtivaid kubitiahelaid, kuna see on praegu juhtiv riistvaraplatvorm. Kuid me kasutame ioonilõksu ka külma aatomi riistvaras ja mõtleme ka fotoonilisele riistvarale. Kuid me ei ole seotud ühe konkreetse platvormiga.

Phasecraft keskendub algoritmidele, mis arvutavad materjali omadusi. Miks on need rakendused nii sobivad tänapäeva varajaste kvantarvutite jaoks?

Tööstuses kulutavad paljud ettevõtted materjalide omaduste väljaselgitamiseks palju aega ja raha, kasutades klassikalisi suure jõudlusega arvuteid. Probleem on selles, et see on väga arvutusmahukas, nii et nad püüavad probleemi lihtsustada. Kuid siis on oht, et saate asjad täiesti valesti. Näiteks võite ennustada, et materjal on isolaator, kuigi tegelikult on see juht. Mõnikord võib see olla sellisel tasemel vale.

Phasecraftis keskendume materjalide modelleerimisele ja simuleerimisele, kuna need rakendused on praegusele riistvarale kõige lähemal. Muud rakendused, näiteks optimeerimine, on nõudlikumad kubitide ja väravate arvu osas, mida vajate. Riistvara paranedes muutuvad kvantkeemia simulatsioonid meie käeulatusse. Neid on raskem simuleerida kui perioodilisi kristalseid materjale, kuna molekulaarsüsteemide algoritmi keerukus ulatub elektroniorbitaalide arvuna nelja astmeni.

Kas saate anda meile ülevaate mõnest konkreetsest materjalist, mida olete vaadanud?

Hetkel ei ole riistvara veel piisavalt suur, et oleks võimalik teha reaalsete materjalide simulatsioone rohkem kui klassikaliselt. Nii et me oleme ikka veel selles etapis, kus meil on algoritmid olemas, kuid meil pole veel päris riistvara, millel töötada, kuigi see hakkab lähenema. Sellegipoolest on materjalitüübid, mis on kvantarvutite varases staadiumis rakenduste jaoks head sihtmärgid, puhta energiaga seotud – akumaterjalid, näiteks metallioksiidid.

Need on ka sellised, kus klassikalised algoritmid ei tööta eriti hästi, kuna need hõlmavad tugevas korrelatsioonis elektronid. Sama kehtib ka fotogalvaanika kohta. Tegelikult on meil a koostöös Oxford PV-ga, millega töötab perovskiit fotogalvaanika, kus vaatleme taas tugevalt korrelatsioonis olevaid elektronsüsteeme. See hõlmab selliste asjade dünaamilist simuleerimist nagu osakeste-augu paaride rekombineerumise kiirus valguse kiirgamiseks.

Oleme uurinud ka strontsiumvanadaati, millel on kena riba struktuur, mis tähendab, et see mahub väiksemasse kvantarvutisse kui teatud muud materjalid. See ei ole kõige väiksem, kuid see on metallioksiidi süsteem, mis pakub huvi ja vajab vähem kubiteid ja vähem väravaid kui teised metallioksiidid.

Millal jõuab Phasecraft teie arvates kvanteelise punktini, kus teie algoritmid saavad töötada kvantprotsessoris ja arvutada asju, mida superarvuti ei suuda?

See on miljoni dollari küsimus. Tegelikult on see ilmselt miljardi dollari küsimus. Kvantitööstus peab jõudma selle punktini, kus see ei näita ainult mänguasjaprobleeme, vaid lahendab kvantarvutite reaalseid probleeme.

Loodan, et ma ei kõla nagu see mees, kes väidetavalt kunagi öelnud maailmas oleks vaja ainult kolme arvutit, kuid ma tõesti arvan, et me võime selle järgmise kahe-kolme aasta jooksul jõuda. Need varajased küsimused võivad pakkuda huvi pigem teaduslikku kui tööstuslikku huvi – tööstus võib olla sellest punktist veidi kaugemal. See ei tähenda kõrgjõudlusega andmetöötluse (HPC) klastrite üleöö väljalülitamist ja otse kvantarvutisse üleviimist. Tõenäoliselt on see järkjärguline protsess, mille käigus jõuab võrku üha rohkem kasulikke asju. Teadus töötab nii: teete edusamme, tabate takistust ja teete siis rohkem edusamme. See kipub põrkima.

Edusammud sõltuvad suurte teadlaste meeskondade suurest raskest tööst, kes on aastaid usinalt töötanud. See toimub kvantarvutuses ja esimesed rakendused ei pruugi pealkirjadesse jõuda

Kui laiem meedia kajastab kvantarvuteid, kipuvad nad eeldama, et tohutud läbimurded tekivad täiesti ootamatult. Aga nad ei tee seda. Edusammud sõltuvad suurte teadlaste meeskondade suurest raskest tööst, kes on aastaid usinalt töötanud. See toimub kvantarvutuses ja esimesed rakendused ei pruugi pealkirju tabada. Kuid teadlased mõistavad, kui oleme ületanud selle läve, mille puhul saate teha asju, mis tavaliste arvutitega on võimatud. Me pole kaugel.

Phasecraft sai hiljuti erarahastust 13 miljonit naela. Mida kavatsete selle rahaga teha?

Meiesuguse kvantalgoritmide ettevõtte jaoks läheb suurem osa rahastamisest inimeste palkade maksmiseks. Meie töötajad on võti – meie kõige väärtuslikum vara on meie meeskond. Riistvaraettevõtte jaoks on see väga erinev, kuna riistvara on kallis. Kuid me vajame inimesi, kes mõtleksid ja kodeeriksid, et raha võimaldaks meil oma meeskonda pidevalt laiendada.

Meil on alati rohkem ideid, kui meil on ressursse, ja kui jõuame kvantarvutites suurte arvutuste rakendamisele lähemale, suurendame meeskonda. Läheb veel mõni aasta, enne kui meil on äriliselt asjakohased rakendused, kuid kui see juhtub, läbime pöördepunkti ja kogu tööstus muutub. Meil on alati hea meel rääkida nutikate inimestega, kes on huvitatud kvantmehaanika kasutamisest reaalsetes rakendustes.

Kuidas siis ettevõte areneb?

Piisab ühest hämmastavast silmapaistvast ideest, mis võib kogu kvanttööstust täielikult muuta. Me tahame tagada, et anname oma uurimisrühmale ruumi sellise sinise taeva mõtteviisi tegemiseks, mis võib muuta ettevõtte tegevussuunda. Muidugi, kõik ideed ei tööta – 20 võib ebaõnnestuda, kuid 21. osutub oluliseks uueks suunaks, millele keegi teine ​​ei mõelnud. Phasecraftis on seda juba paar korda juhtunud. Keegi saab inspiratsiooni ja siis avaneb uus suund.

Kvantalgoritmid kasutavad mürarikast riistvara nutikalt ära

Oleme kvantarvutite vallas väga põneval ajal. ma olen endiselt UCL-i professor, ja mul on siiani akadeemiline rühm seal, kuid minu arvates on mõlemad pooled – rakenduslik ja teoreetiline – ühtviisi intellektuaalselt huvitavad. Olen teatud teemadel teoretiseerinud 20 aastat, kuid mul pole olnud tööriistu nende elluviimiseks. Nüüd aga võin seda teooriat võtta ja selle tõeliseks muuta. Selle asemel, et lihtsalt paberit kirjutada, saan oma ideed käivitada riistvara peal.

Muidugi, see ei pruugi üldse töötada. Võib selguda, et tõeline universum ütleb: "Ei. See pole hea mõte." Kuid see võib siiski olla uskumatult kasulik ja põnev probleem, millega tegeleda. Ja nii leian, et uurimistöö rakenduslik pool – selle füüsika rakendamine tehnoloogiasse – on minu jaoks sama põnev ja huvitav kui sinise taeva akadeemiline mõtlemine.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/