همکاری کاتالیزوری برای شتاب کوانتومی فراهم می کند

جایزه نوبل فیزیک 2022 آزمایش‌های پیشگام آلن اسپکت، جان کلاسر و آنتون زایلینگر را که برای اولین بار پتانسیل سیستم‌های کوانتومی برای پردازش اطلاعات را نشان می‌داد، به رسمیت شناخت. چندین دهه بعد، دانشمندان و مهندسان در صنعت و دانشگاه بر اساس این دستاوردها هستند تا کامپیوترهای کوانتومی کارآمدی را ایجاد کنند که نمایی وسوسه انگیز از پتانسیل خود را برای مقابله با مشکلات پیچیده در طیف وسیعی از کاربردها ارائه می دهند.

در حالی که پیشرفت تا به امروز چشمگیر بوده است، کار بسیار بیشتری برای ایجاد کامپیوترهای کوانتومی لازم است که بتوانند از همتایان کلاسیک خود بهتر عمل کنند. پردازنده های کوانتومی در مقیاس کوچک امروزی تعداد کیوبیت ها را به محدوده 100-1000 سوق می دهند، اما آنها تحت تأثیر نویز و خطاهایی هستند که توانایی های محاسباتی آنها را محدود می کند. افزایش این فناوری برای دستیابی به مزیت کوانتومی گسترده، به نبوغ علمی و دانش مهندسی در بسیاری از رشته‌های مختلف و همچنین همکاری نزدیک بین بخش‌های دانشگاهی و تجاری نیاز دارد.

در انگلستان، این همکاری از طریق برنامه ملی فناوری های کوانتومی (NQTP)، یک ابتکار یک میلیارد پوندی که از سال 1 از مراکز فناوری در سنجش کوانتومی، تصویربرداری، ارتباطات و محاسبات پشتیبانی کرده است. الهام کاشفی، استاد محاسبات کوانتومی در دانشگاه ادینبورگ و مدیر تحقیقات CNRS در دانشگاه سوربن پاریس می‌گوید: «ما یک اکوسیستم غنی داریم که با هم کار می‌کند تا مقیاس کامپیوترهای کوانتومی را برای ارائه برنامه‌های کاربردی مفید افزایش دهد.

کاشفی به تازگی به عنوان دانشمند ارشد بریتانیا منصوب شده است مرکز ملی محاسبات کوانتومی (NQCC)، یک مرکز ملی که در سال 2020 به عنوان یک برنامه شاخص NQTP راه اندازی شد. هدف NQCC تسریع ارائه محاسبات کوانتومی در بریتانیا از طریق مشارکت با گروه‌های تحقیقاتی و بخش تجاری برای رسیدگی به چالش‌های مقیاس‌پذیری است.

کاشفی می‌گوید: «بخشی از نقش من در NQCC این خواهد بود که توسعه‌دهندگان اپلیکیشن و کاربران نهایی را برای پیشبرد توسعه دستگاه‌های مفید دور هم جمع کنم. ما اکنون در مرحله‌ای هستیم که الزامات الگوریتم‌ها می‌توانند بر طراحی سخت‌افزار تأثیر بگذارند و به ما این امکان را می‌دهند که شکاف بین مورد مورد نظر و ماشین در حال ظهور را ببندیم.»

کاشفی با سابقه ای در علوم کامپیوتر، مدت هاست که مدافع نقش نرم افزارها و الگوریتم ها در توسعه راه حل های کوانتومی بوده است. او برنامه تحقیقاتی نرم افزار را در داخل سازمان هماهنگ کرد هاب محاسبات و شبیه سازی کوانتومی (QCS).کنسرسیومی از دانشگاه‌های بریتانیا با پشتیبانی NQTP که بر چالش‌های علمی حیاتی برای محاسبات کوانتومی تمرکز دارد. این هاب سکوی پرتاب تعدادی از شرکت‌های نوپا بوده است که از راه‌حل‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری مختلف دفاع می‌کنند و اکنون با NQCC برای رشد اکوسیستم محاسبات کوانتومی بریتانیا از طریق تبدیل نقاط قوت تحقیقاتی به فناوری‌های نوآورانه کار می‌کند.

کاشفی به عنوان بخشی از نقش جدید خود با NQCC همکاری خواهد کرد تا یک آزمایشگاه نرم افزار کوانتومی در دانشگاه ادینبورگ ایجاد کند، یک ابتکار اصلی که ردپای ملی برنامه NQCC را بیشتر گسترش می دهد. او می‌گوید: «چالش مقیاس‌پذیری که اکنون با کیوبیت‌های فیزیکی با آن روبرو هستیم، مشکلی است که نرم‌افزارهای علوم رایانه و برنامه‌های کاربردی می‌توانند به حل آن کمک کنند.» ما می‌توانیم با توسعه مشترک نرم‌افزار و سیستم‌های کنترلی برای رفع نیازهای برنامه، الزامات کیوبیت‌ها را بهینه کنیم.»

چنین توسعه‌ای مستلزم رویکردی چند رشته‌ای است که دانش سخت‌افزار کوانتومی و پردازش اطلاعات را با تخصص ریاضی‌دانان و دانشمندان رایانه‌ای که نحوه مقابله با مشکلات پیچیده محاسباتی را می‌دانند، ترکیب می‌کند.

کاشفی می‌گوید: «ارتباط با انبوه دانشی که در علوم کامپیوتر کلاسیک داریم، ما را قادر می‌سازد تا معماری‌ها و سیستم‌های کنترلی سیستم و همچنین پروتکل‌های کاهش خطا و تصحیح خطا را بهینه کنیم تا بهترین نتیجه را از بسترهای سخت‌افزاری به دست آوریم.» به عنوان مثال، افرادی که در محاسبات با کارایی بالا کار می‌کنند، زمان زیادی را صرف کشف چگونگی حل مسائل بهینه‌سازی کرده‌اند و ورودی‌های آنها به تسریع توسعه راه‌حل‌های کوانتومی که مزیت محاسباتی ارائه می‌دهند، کمک می‌کند.»

یکی از راه‌های امیدوارکننده، توسعه رویکردهای ترکیبی است که دستگاه‌های کوانتومی نوظهور را با زیرساخت‌های محاسباتی کلاسیک ترکیب می‌کند. به عنوان مثال، NQCC یک شریک در همکاری QuPharmaیک پروژه 6.8 میلیون پوندی که هدف آن کاهش شدید زمان لازم برای اجرای شبیه‌سازی‌های مولکولی برای کشف دارو است.

توسط توسعه دهنده سخت افزار رهبری می شود SEEQC انگلستان و با مشارکت غول دارویی آلمان Merck KgaA، هدف این پروژه ترکیب پردازنده کوانتومی SEEQC با یک ابر رایانه کلاسیک برای ایجاد یک پلت فرم قدرتمندتر برای طراحی دارو است. کاشفی خاطرنشان می‌کند: «ما باید نقاط درد را در صنعت درک کنیم تا بتوانیم آنها را به مشکلات تحقیقاتی تبدیل کنیم که محاسبات کوانتومی می‌تواند آنها را حل کند».

چنین پروژه‌های مشترکی از تخصص علمی موجود در بخش آکادمیک بریتانیا استفاده می‌کنند، که تحقیقات در سطح جهانی را در نظریه کوانتومی، نرم‌افزار و الگوریتم‌ها و همچنین کار تجربی در مورد بررسی تمام معماری‌های کیوبیت پیشرو پرورش داده است.

کاشفی می‌گوید: «به‌عنوان فردی که بر برنامه‌های کاربردی و راستی‌آزمایی تمرکز می‌کنم، از دسترسی به پلتفرم‌های کیوبیت از مدارهای ابررسانا و یون‌های به دام افتاده گرفته تا فوتونیک و دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون بسیار هیجان‌زده شده‌ام. هنگامی که ما کد را می نویسیم، باید از قابلیت ها و محدودیت های هر پلتفرم کیوبیت آگاه باشیم، زیرا برخی از برنامه ها ممکن است برای مدل نویز یا اتصال ارائه شده توسط یک راه حل سخت افزاری خاص مناسب تر باشند.

صنعت کوانتومی در حال ظهور همچنین از قدرت پایگاه علمی در بریتانیا بهره می برد، به طوری که بسیاری از استارت آپ های کوانتومی با گروه های تحقیقاتی سابق خود پیوندهای نزدیکی را برای پیشرفت فناوری و تسریع برنامه های توسعه خود حفظ می کنند.

دیوید لوکاس، محقق اصلی مرکز QCS و یکی از رهبران گروه محاسبات کوانتومی یون به دام افتاده در دانشگاه آکسفورد می گوید: بخش دانشگاهی به عنوان یک کارخانه ایده عمل می کند. "افزایش فناوری یک چالش مهندسی است که فراتر از توانایی های یک بخش تحقیقاتی دانشگاه است." در واقع، یک نقش کلیدی برای NQCC فراهم کردن زیرساخت ها و تسهیل همکاری های مورد نیاز برای رسیدگی به این چالش های مهندسی است.

این هم افزایی بین صنعت و دانشگاه به ویژه در توسعه پلت فرم Maxwell، یک سیستم محاسبات کوانتومی اتم خنثی تجاری که توسط M مربع، توسعه دهنده فناوری های فوتونیک و کوانتومی، در بریتانیا نمایشگاه ملی فناوری های کوانتومی در نوامبر 2022. نسخه فعلی سیستم می‌تواند از 100 کیوبیت پشتیبانی کند، و گریم مالکوم، مدیر عامل M Squared می‌گوید مسیر روشنی برای افزایش مقیاس فناوری تا 400 کیوبیت و فراتر از آن وجود دارد.

مالکوم می‌گوید: «برای ایجاد Maxwell، ما یک مشارکت استراتژیک با دانشگاه Strathclyde ایجاد کردیم، که شرکت ما را با دسترسی به فیزیک پیشرفت در سطح جهانی فراهم کرده است. این بسیار عالی بوده است که یک بخش دانشگاهی به این قدرتمندی در آستان ما داشته باشیم که بتوانیم برای تخصص تخصصی به آن تکیه کنیم، در حالی که توانسته‌ایم توانایی مهندسی مورد نیاز برای توسعه یک محصول قابل اعتماد را به ارمغان بیاوریم.»

ماکسول مبتنی بر معماری کیوبیت اتم خنثی است که توسط جاناتان پریچارد و تیم تحقیقاتی او در Strathclyde تکمیل شده است. پلتفرم آزمایشی که بر فناوری لیزر هسته M Squared برای دستکاری انتقال انرژی در اتم های فوق سرد متکی است، از طریق یک مشارکت EPSRC Prosperity به نام توسعه یافته است. مربع.

پریچارد می‌گوید: «ما از نزدیک با مهندسان فوتونیک در M Squared برای بهینه‌سازی عملکرد لیزرها و در برخی موارد برای طراحی دستگاه‌های جدید متناسب با فرآیندهای اتمی خاص ما کار کردیم.» در همین حال، توسعه سیستم تجاری توسط شرکت فعال شد کشف برنامه، یک پروژه 10 میلیون پوندی که توسط M Squared هماهنگ شده و توسط برنامه چالش فناوری کوانتومی Innovate UK پشتیبانی می شود تا موانع فناوری را برای محاسبات کوانتومی تجاری برطرف کند.

یکی از گام‌های بعدی این همکاری، کار با اندرو دیلی، متخصص شبیه‌سازی و محاسبات کوانتومی در دانشگاه Strathclyde برای توسعه الگوریتم‌های کوانتومی است که توانایی این پلتفرم را نشان می‌دهد. در سال 2021 یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه هاروارد در ایالات متحده نشان داد که یک سیستم اتم خنثی متشکل از 256 کیوبیت می تواند برای شبیه سازی و مشاهده رفتار کوانتومی سیستم های چند بدنه استفاده شود و اوایل سال جاری این تیم از یک سیستم 289 کیوبیتی استفاده کرد. نسخه به نشان دادن مسیری به سمت مزیت کوانتومی برای کلاس خاصی از الگوریتم های کوانتومی آنالوگ.

مالکوم می گوید: سیستمی که ما با دانشگاه استراثکلاید توسعه داده ایم، با بهترین کامپیوترهای کوانتومی اتم خنثی در جهان رقابت می کند. اکنون می‌خواهیم برخی از آن الگوریتم‌ها را روی سخت‌افزاری که نشان داده‌ایم قرار دهیم و شراکت‌هایی را ایجاد کنیم تا ببینیم کجا می‌تواند برای چالش‌های دنیای واقعی ارزش ارائه دهد.»

این نیاز به ایجاد پروتکل های محک و گواهی قوی یکی دیگر از اولویت های مهم کاشفی و NQCC است. کاشفی در برنامه تحقیقاتی خود بر توسعه ابزارهایی برای تأیید و آزمایش تمرکز کرده است که به اعتقاد او به سرعت بخشیدن به توسعه امیدوارکننده ترین فناوری ها کمک می کند.

او می‌گوید: «وقتی دستگاه‌های مختلف ظاهر می‌شوند، باید بدانیم چگونه آنها را ارزیابی کنیم و چگونه عملکرد آنها را با سایر پلتفرم‌ها مقایسه کنیم. "یک چارچوب آزمایشی قابل اعتماد بازخورد مهمی را ارائه می دهد که به ما امکان می دهد سریعتر به یک رژیم جدید منتقل شویم."

در سال 2021 NQCC راه اندازی شد ریورلینیک متخصص در الگوریتم‌های کوانتومی و نرم‌افزار، برای ایجاد مجموعه‌ای از معیارهای سنجش برای امکان مقایسه عملکرد در انواع مختلف پردازنده‌های کوانتومی. کنسرسیومی به رهبری آزمایشگاه ملی فیزیکی نیز در حال بررسی معیارهای کلیدی برای محاسبات کوانتومی، با دیدگاه توسعه استانداردهای باز برای توسعه فناوری بین المللی است. کاشفی می‌گوید: «NQCC سعی نمی‌کند راه‌حل سخت‌افزاری خاصی را ارائه کند، اما توانایی معیارگذاری پلت‌فرم‌های مختلف برای تحریک برنامه توسعه خودمان و همچنین اکوسیستم گسترده‌تر واقعاً مفید خواهد بود».

چنین معیارهایی همچنین درک مکان‌هایی که راه‌حل‌های کوانتومی مزیت واقعی نسبت به معماری‌های محاسباتی کلاسیک دارند، ممکن می‌سازد. کاشفی ادامه می دهد: محاسبات کوانتومی یک فناوری شگفت انگیز و انقلابی است، اما در نهایت فقط یک ابزار محاسباتی دیگر است. «معیارسازی مناسب ما را قادر می‌سازد تا بفهمیم کدام وظایف برای یک کامپیوتر کلاسیک مناسب‌تر است و کدامیک را می‌توان با یک راه‌حل کوانتومی بهبود بخشید.»

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/