Koostöö annab kvantkiirenduse katalüsaatori

2022. aasta Nobeli füüsikaauhinnaga tunnustati Alain Aspecti, John Clauseri ja Anton Zeilingeri teedrajavaid eksperimente, mis esimest korda demonstreerisid kvantsüsteemide potentsiaali teabe töötlemisel. Mitu aastakümmet hiljem arendavad teadlased ja insenerid nii tööstuses kui ka akadeemilistes ringkondades neid saavutusi, et luua toimivaid kvantarvuteid, mis annavad ahvatleva pilgu nende potentsiaalile lahendada keerulisi probleeme mitmesugustes rakendustes.

Kuigi senised edusammud on olnud muljetavaldavad, on vaja palju rohkem tööd teha, et luua kvantarvuteid, mis suudaksid ületada oma klassikalisi kolleege. Tänapäeva väikesemahulised kvantprotsessorid viivad nüüd kubitide arvu vahemikku 100–1000, kuid neid mõjutavad müra ja vead, mis piiravad nende arvutusvõimet. Tehnoloogia suurendamine laiaulatusliku kvanteelise saavutamiseks nõuab teaduslikku leidlikkust ja insenerialast oskusteavet paljudes erinevates distsipliinides, samuti tihedat koostööd akadeemilise ja ärisektori vahel.

Ühendkuningriigis on see koostöö ajendatud läbi Riiklik kvanttehnoloogia programm (NQTP), 1 miljardi naela suurune algatus, mis on alates 2014. aastast toetanud kvantanduri, pildistamise, side ja andmetöötluse tehnoloogiakeskusi. "Meil on rikkalik ökosüsteem, mis teeb koostööd, et kiirendada kvantarvutite arvu suurendamist, et pakkuda kasulikke rakendusi," ütleb Edinburghi ülikooli kvantarvutite professor ja Pariisi Sorbonne'i ülikooli CNRS-i teadusdirektor Elham Kashefi.

Kashefi määrati äsja Ühendkuningriigi peateadlaseks Riiklik kvantarvutikeskus (NQCC), riiklik rajatis, mis käivitati 2020. aastal NQTP juhtprogrammina. NQCC eesmärk on kiirendada kvantarvutite kasutuselevõttu Ühendkuningriigis, tehes koostööd uurimisrühmade ja kaubandussektoriga, et lahendada skaleerimisprobleeme.

"Osa minu rollist NQCC-s on rakenduste arendajate ja lõppkasutajate kokkuviimine, et edendada kasulike seadmete arendamist, " ütleb Kashefi. "Oleme praegu selles etapis, kus algoritmide nõuded võivad riistvara disaini mõjutada, võimaldades meil kaotada lõhe soovitud kasutusjuhu ja tekkiva masina vahel."

Arvutiteaduse taustaga Kashefi on pikka aega olnud tarkvara ja algoritmide rolli eest kvantlahenduste väljatöötamisel. Ta koordineeris tarkvara uurimisprogrammi Quantum Computing and Simulation (QCS) jaotur, Ühendkuningriigi ülikoolide konsortsium, mida toetab NQTP ja mis keskendub kvantandmetöötluse kriitilistele teaduslikele väljakutsetele. Keskus on olnud käivitaja mitmetele idufirmadele, kes toetavad erinevaid riist- ja tarkvaralahendusi, ning teeb nüüd koostööd NQCC-ga Ühendkuningriigi kvantarvutite ökosüsteemi kasvatamiseks, muutes teadusuuringute tugevused uuenduslikeks tehnoloogiateks.

Osana oma uuest rollist teeb Kashefi koostööd NQCC-ga, et luua Edinburghi ülikoolis Quantum Software Lab, mis on põhialgatus, mis laiendab veelgi NQCC programmi riiklikku jalajälge. "Skaalautuvuse väljakutse, millega me praegu füüsiliste kubitidega silmitsi seisame, on probleem, mida arvutiteadus ja rakendustarkvara aitavad lahendada," ütleb ta. "Saame optimeerida kubittide nõudeid, arendades koos tarkvara ja juhtimissüsteeme, et rahuldada rakenduse vajadusi."

Selline ühisarendus nõuab multidistsiplinaarset lähenemist, mis ühendab teadmised kvantriistvara ja teabetöötluse kohta matemaatikute ja arvutiteadlaste teadmistega, kes mõistavad, kuidas lahendada keerulisi arvutusprobleeme.

"Klassikalise arvutiteaduse teadmistepagasi ühendamine võimaldab optimeerida süsteemiarhitektuure ja juhtimissüsteeme, samuti vigade leevendamise ja parandamise protokolle, et saada riistvaraplatvormidelt parim tulemus, " ütleb Kashefi. "Näiteks on suure jõudlusega andmetöötlusega tegelevad inimesed kulutanud palju aega optimeerimisprobleemide lahendamise väljamõtlemisele ja nende panus aitab kiirendada arvutuslikku eelist pakkuvate kvantlahenduste väljatöötamist."

Üks paljutõotav viis on hübriidlähenemiste väljatöötamine, mis ühendavad esilekerkivad kvantseadmed klassikalise andmetöötluse infrastruktuuriga. Näiteks on NQCC partner selles QuPharma koostöö, 6.8 miljonit naela maksev projekt, mille eesmärk on radikaalselt lühendada ravimite avastamiseks vajalikku molekulaarsete simulatsioonide käitamiseks kuluvat aega.

Riistvaraarendaja juhtimisel SEEQC UK ja kaasates Saksa farmaatsiahiiglast Merck KgaA, projekti eesmärk on ühendada SEEQC kvantprotsessor klassikalise superarvutiga, et luua ravimite kujundamiseks võimsam platvorm. "Peame mõistma tööstuse valupunkte, et saaksime need tõlkida uurimisprobleemideks, mida kvantarvuti võib lahendada," juhib Kashefi tähelepanu.

Sellised koostööprojektid tuginevad Ühendkuningriigi akadeemilises sektoris leiduvale teaduslikule asjatundlikkusele, mis on edendanud maailmatasemel kvantteooria, tarkvara ja algoritmide uuringuid ning eksperimentaalset tööd kõigi juhtivate kubitarhitektuuride uurimisel.

"Rakendustele ja kontrollimisele keskendunud inimesena on mul olnud hea meel juurdepääsu üle kubitiplatvormidele, mis ulatuvad ülijuhtivatest ahelatest ja lõksus olevatest ioonidest kuni fotoonika ja ränipõhiste seadmeteni," ütleb Kashefi. "Koodi kirjutades peame olema teadlikud iga qubit-platvormi võimalustest ja piirangutest, kuna mõned rakendused võivad konkreetse riistvaralahenduse pakutava müramudeli või ühenduvusega paremini sobida."

Arenev kvanttööstus saab kasu ka Ühendkuningriigi teadusbaasi tugevusest, kuna paljud idufirmad säilitavad tihedaid sidemeid oma endiste uurimisrühmadega, et tehnoloogiat edendada ja oma arendusprogramme kiirendada.

"Akadeemiline sektor toimib ideede tehasena," ütleb QCS Hubi juhtivteadur ja Oxfordi ülikooli lõksu-ioonide kvantarvutite rühma kaasjuht David Lucas. "Tehnoloogia suurendamine on inseneri väljakutse, mis ulatub kaugemale ühe ülikooli teadusosakonna võimalustest." Tõepoolest, NQCC üks võtmeroll on pakkuda infrastruktuuri ja hõlbustada koostööd, mis on vajalik nende inseneriprobleemide lahendamiseks.

See sünergia tööstuse ja akadeemiliste ringkondade vahel on olnud eriti tõhus Maxwelli platvormi, kaubandusliku neutraalse aatomiga kvantarvutussüsteemi väljatöötamisel, mida demonstreeris M ruudus, fotoonika ja kvanttehnoloogiate arendaja Ühendkuningriigis National Quantum Technologies Showcase novembris 2022. Süsteemi praegune versioon suudab toetada 100 kubitit ja M Squaredi tegevjuht Graeme Malcolm ütleb, et tehnoloogia skaleerimiseks 400 kubitini ja rohkemgi on olemas selge tee.

"Maxwelli loomiseks lõime strateegilise partnerluse Strathclyde'i ülikooliga, mis on andnud meie ettevõttele juurdepääsu maailmatasemel läbimurdelisele füüsikale," ütleb Malcolm. "On olnud suurepärane, et meie ukse ees on nii tugev ülikooli osakond, kuhu saame tugineda spetsialistide teadmistele, samas kui oleme suutnud tuua kaasa usaldusväärse toote väljatöötamiseks vajaliku insenerivõime."

Maxwell põhineb neutraalse aatomiga kubitarhitektuuril, mille täiustasid Jonathan Pritchard ja tema Strathclyde'i uurimisrühm. Eksperimentaalne platvorm, mis tugineb ülikülmade aatomite energiasiirde manipuleerimiseks M Squaredi põhilasertehnoloogiale, töötati välja EPSRC heaolupartnerluse kaudu. RUUT.

"Tegime tihedat koostööd M Squaredi fotoonikainseneridega, et optimeerida laserite jõudlust ja mõnel juhul kavandada uusi seadmeid, mis on kohandatud konkreetsetele aatomiprotsessidele, mida vajame, " ütleb Pritchard. Vahepeal võimaldas kaubandussüsteemi väljatöötamist DISCOVERY programm, 10 miljoni naela suurune projekt, mida koordineerib M Squared ja mida toetab Innovate UK programm Quantum Technologies Challenge, et kõrvaldada kommertskvantarvutite tehnoloogilised tõkked.

Üks koostöö järgmistest sammudest on koostöö Strathclyde'i ülikooli kvantsimulatsiooni ja andmetöötluse eksperdi Andrew Daleyga, et töötada välja kvantalgoritmid, mis demonstreerivad platvormi võimekust. 2021. aastal näitas USA Harvardi ülikooli juhitud uurimisrühm, et 256 kubitist koosnevat neutraalse aatomiga süsteemi saab kasutada mitmekehaliste süsteemide kvantkäitumise simuleerimiseks ja vaatlemiseks ning selle aasta alguses kasutas meeskond 289 kubitist. versioon näidata teed kvanteelise saavutamiseks teatud analoogsete kvantalgoritmide klassi jaoks.

"Süsteem, mille oleme välja töötanud Strathclyde'i ülikooliga, on konkurentsivõimeline maailma parimate neutraalsete aatomitega kvantarvutitega, " ütleb Malcolm. "Nüüd tahame panna mõned neist algoritmidest meie demonstreeritud riistvarale ja luua partnerlussuhteid, et näha, kus see võib pakkuda väärtust reaalsete väljakutsete jaoks."

See vajadus kehtestada tugevad võrdlusuuringud ja sertifitseerimisprotokollid on Kashefi ja NQCC jaoks veel üks oluline prioriteet. Kashefi on oma uurimisprogrammi raames keskendunud kontrolli- ja testimisvahendite väljatöötamisele, mis tema arvates aitavad kiirendada kõige lootustandvamate tehnoloogiate arendamist.

"Kui erinevad seadmed ilmuvad, peame teadma, kuidas neid hinnata ja kuidas võrrelda nende jõudlust teiste platvormidega, " ütleb ta. "Usaldusväärne testimisraamistik annab üliolulist tagasisidet, mis võimaldab meil kiiremini uuele režiimile üle minna."

2021. aastal võttis NQCC kasutusele Riverlane, kvantalgoritmide ja -tarkvara spetsialist, et töötada välja võrdlusuuringute komplekt, mis võimaldab võrrelda erinevat tüüpi kvantprotsessorite jõudlust. Riikliku füüsikalabori juhitud konsortsium uurib ka kvantarvutite põhimõõdikuid, et töötada välja avatud standardid, mis toetaksid rahvusvahelist tehnoloogiaarengut. "NQCC ei püüa ühtegi konkreetset riistvaralahendust edasi suruda, kuid erinevate platvormide võrdlus on väga kasulik nii meie enda arendusprogrammi kui ka laiema ökosüsteemi stimuleerimiseks, " ütleb Kashefi.

Selline võrdlusanalüüs võimaldab ka mõista, kus kvantlahendused pakuvad tõelist eelist võrreldes klassikaliste andmetöötlusarhitektuuridega. "Kvantarvutus on hämmastav ja revolutsiooniline tehnoloogia, kuid lõppkokkuvõttes on see lihtsalt järjekordne arvutustööriist," jätkab Kashefi. "Korralik võrdlusanalüüs võimaldab meil mõista, millised ülesanded sobivad kõige paremini klassikalisele arvutile ja mida saab kvantlahendusega täiustada."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/