هکرهای کوانتومی با مشکلات دنیای واقعی مقابله می کنند

9 تیم از دانشجویان محقق و دانشمندان اولیه در پایان ژوئیه برای رقابت در اولین مسابقه بریتانیا صف آرایی کردند. هکاتون محاسبات کوانتومی. سازماندهی شده توسط مرکز ملی محاسبات کوانتومی (NQCC) درهمکاری با QuantX، این رویداد تیم ها را به چالش کشید تا راه حل های کوانتومی جدیدی برای مشکلات تعیین شده توسط کاربران نهایی مانند BT، NHS و Rolls Royce ایجاد کنند.

در پایان این رویداد دو روزه، چندین تیم الگوریتم های خود را بر روی سخت افزار کوانتومی ارائه شده توسط شرکای فناوری IBM، Oxford Quantum Circuits و AWS اجرا کردند. برخی دیگر که راه‌حل‌هایی فراتر از توانایی‌های پردازنده‌های کوانتومی کنونی توسعه داده بودند، راه‌حل‌های خود را روی شبیه‌سازهای کوانتومی آزمایش کردند و کارشناسان برنامه‌نویسی از هر یک از ارائه‌دهندگان فناوری برای ارائه پشتیبانی و مشاوره در دسترس بودند. فرانک هارکینز از IBM گفت: «ما در طول رویداد با تیم‌ها بررسی می‌کنیم و به برخی از کدهای فنی‌تر کمک می‌کنیم. "بعضی دید خوبی از کجا رفتن و نحوه استفاده از کد دارند، در حالی که برای برخی دیگر ما کمی از تئوری و الگوریتم ها کمک کرده ایم."

مربیان هر یک از سازمان‌های کاربر نهایی نیز در کنار تیم‌ها برای ارائه دانش تخصصی حوزه، توضیح زمینه مشکل و راهنمایی هکرها به سمت راه‌حل‌های بالقوه کار کردند. برای مثال، چالشی که رولز رویس تعیین کرد، پیش بینی طول عمر یک موتور جت بر اساس داده های ثبت شده در حین کار بود. جارت اسمالی، یکی از متخصصان این شرکت در محاسبات کوانتومی، گفت: «اول از همه، من مورد استفاده را چارچوب‌بندی کردم، و از آنجا آنها را از طریق یادگیری ماشین کوانتومی به عنوان یک رویکرد ممکن راهنمایی کردم. آن‌ها رویکرد جدیدی را ارائه کردند که برخی از ایده‌های موجود را به شیوه‌ای جدید با هم ترکیب می‌کند، و تماشای این که آن را از هیچ به یک مدل کارآمد تنها در دو روز تبدیل می‌کند، واقعاً جالب است.»

مشکل دیگری که توسط NHS ایجاد شد، هکرها را به چالش کشید تا استراتژی ای برای تخصیص بیماران به تخت ها طراحی کنند و در عین حال محدودیت های مختلف را نیز در نظر بگیرند. دن شوفیلد، دانشمند ارشد داده در اداره تحول NHS، توضیح داد: «این یک مشکل بسیار پیچیده است که معمولاً توسط افرادی که در زمین با دانش زیادی در زمینه حوزه فعالیت دارند، حل می‌شود. ما احتمالاً در چند قدمی داشتن محاسبات کوانتومی در NHS فاصله داریم، اما کشف اینکه چگونه رویکردهای کوانتومی ممکن است قادر به حل مشکلات مورد نظر ما باشند، واقعاً جالب بوده است.

هکاتون اولین رویداد عملی بود که توسط NQCC برگزار شد تا توسعه دهندگان کوانتومی، کاربران نهایی و ارائه دهندگان فناوری را گرد هم آورد تا روی مشکلات دنیای واقعی کار کنند. در می 2022 آن برنامه کشف برنامه های کاربردی SparQ خود را راه اندازی کرد، که هدف آن فراهم کردن فرصتی برای کاربران نهایی برای آزمایش الگوریتم‌های کوانتومی و سخت‌افزار برای مقابله با موارد استفاده مرتبط در بخش خود است. مایکل کاتبرت، مدیر NQCC، گفت: «همه چیز در مورد رشد جامعه کاربران برای محاسبات کوانتومی است. هیچ چیز مانند اجرای یک قطعه کد و اجرای آن بر روی یک کامپیوتر کوانتومی واقعی برای درگیر شدن با فناوری و درک قابلیت های آن نیست.

[محتوای جاسازی شده]

کاتبرت از میزان علاقه و تعهد به هکاتون تشویق شده است. او گفت: «ما برای مکان‌ها بیش از حد اشتراک داشتیم و از حمایت فوق‌العاده شرکای صنعتی خود و ارائه‌دهندگان فناوری کوانتومی برخوردار بودیم. تیم‌های هکرها به‌طور باورنکردنی درگیر و مشتاق بوده‌اند - برخی از آنها تا شب روی راه‌حل خود کار می‌کردند - و آنها به طور بسیار مؤثری با هم کار کرده‌اند تا در مدت زمان کوتاهی به راه‌حل‌های چشمگیر دست پیدا کنند.

برای دانشجویان و محققانی که تیم‌ها را تشکیل می‌دادند، هکاتون بینش ارزشمندی از مزیتی که الگوریتم‌های کوانتومی کوتاه‌مدت ممکن است برای کاربردهای صنعتی ارائه دهند، ارائه کرد. ماریا ویولاریس، دانشجوی دکترا از دانشگاه آکسفورد، روی یک مشکل تعقیب و گریز که توسط شرکت دفاعی MBDA تنظیم شده بود، کار می کرد. تیم او در تلاش بود تا یک شبکه عصبی کوانتومی را آموزش دهد تا بهترین استراتژی را برای تعقیب کننده ("هیولا") ارائه دهد تا در سریع ترین زمان ممکن به هدف ("شاهزاده") برسد - مشکلی که نه تنها مربوط به آن است. بخش دفاعی، بلکه برای کاربردهای دیگر مانند کنترل ترافیک یا سیستم های امنیتی در موزه ها و گالری های هنری.

ویولاریس اظهار داشت: «واقعاً خوب بود که دو روز را به طور کامل بر روی یک پروژه متمرکز کنید، و یک مورد استفاده را انتخاب کنید و آن را به الگوریتم‌های کوانتومی که می‌توان برای حل مشکل مورد استفاده قرار داد متصل کرد. ما با توجه به زمان‌بندی کوتاه، پیشرفت‌های زیادی داشته‌ایم، و زمانی که الگوریتم را هم روی یک شبیه‌ساز کوانتومی و هم روی یک پردازنده کوانتومی واقعی آزمایش کردیم، نتایج امیدوارکننده‌ای به دست آوردیم. این یک راه عالی برای تسریع یادگیری بوده است.»

چنین پیشرفت سریعی تا حدی با یک رویکرد ساختاریافته برای انتخاب تیم ممکن شد. Chiara Decaroli از NQCC، که مسئول سازماندهی این رویداد بود، توضیح می دهد که از هکرهای احتمالی خواسته شد تا سطح مهارت خود و همچنین تجربه قبلی خود را با برنامه نویسی کوانتومی به عنوان بخشی از فرآیند درخواست مشخص کنند. او توضیح داد: «ما تیم‌هایی را با افرادی از رشته‌های مختلف و با مجموعه‌ای از مهارت‌ها، از جمله افراد مبتدی در زمینه کوانتومی که می‌دانستند چگونه الگوریتم‌ها یا مدل‌هایی بسازند، ایجاد کردیم. تیم‌ها به سرعت تشخیص دادند که کدام یک از آنها تخصص لازم برای انجام هر کار خاص را دارند و این تأثیر بسیار زیادی بر نتایجی که در مدت زمان بسیار کوتاه تولید کردند داشت.

دانشجوی کارشناسی ارشد Eden Schirman از امپریال کالج لندن مطمئناً مزایای این رویکرد را احساس کرد. او به تیمی منصوب شد که با تالس کار می‌کرد تا یک الگوریتم کوانتومی برای تشخیص ناهنجاری‌ها در داده‌های سونار ثبت‌شده توسط زیردریایی‌ها ایجاد کند، که می‌توانست توسط زیردریایی‌های دشمن یا موشک‌هایی با امضای ناشناخته تولید شود. او گفت: «در ابتدا درخواست کردم که در یک تیم با افراد دیگری از امپریال قرار بگیرم، اما این تصمیم هوشمندانه بود که تیم‌ها را با هم ترکیب کنیم. همکاری با افراد جدید، گوش دادن به ایده‌های جدید و کار بر روی یک الگوریتم کوانتومی که با تحقیقات من مرتبط است، اما مشابه نیست، خوب بوده است. این ذهن من را به سمت مسیرهای جدیدی برای توسعه الگوریتم های کوانتومی باز کرده است."

Schirman همچنین به ورودی THALES و کارشناسان فنی IBM اهمیت می دهد. مربی صنعت ما در مورد کاربرد و داده‌ها و همچنین پیاده‌سازی‌ها و الگوریتم‌های کلاسیکی که معمولاً استفاده می‌شوند به ما گفت، در حالی که دو متخصص از IBM در طول رویداد با پیاده‌سازی و ایده‌های جدید برای الگوریتم‌های کوانتومی به ما کمک کردند. دسترسی به آن دانش و دریافت دیدگاه متفاوت واقعاً مفید بوده است.»

در پایان هکاتون - تنها 30 ساعت پس از شروع آن در روز قبل - تیم ها راه حل های خود را به سایر شرکت کنندگان و همچنین به یک هیئت داوری شامل کاتبرت، دکارولی و کارشناسان کوانتومی از صنعت و دانشگاه ارائه کردند. دکارولی گفت: «همه ارائه ها شگفت انگیز بودند. "معیار ما داوران این بود که به خلاقیت راه حل نگاه کنیم، اینکه آیا تیم مقیاس پذیری رویکرد خود را برای ماشین های کوانتومی قوی تر بررسی کرده است، و اینکه آنها چقدر نتایج خود را ارائه کرده اند و به هر سوالی پاسخ داده اند."

تیم برنده، که خود را Quassian نامیدند، با MDBA روی یک رویکرد یادگیری ماشین کوانتومی برای سرعت بخشیدن به شبیه‌سازی‌های پیچیده در مهندسی هوافضا کار می‌کردند. گروه رولز رویس که توسط اسمالی راهنمایی می‌شد، دوم شد، در حالی که سومین تیم تحت حمایت BT بود که روش‌های مختلف کوانتومی و کلاسیک را برای بهینه‌سازی عملکرد آرایه‌های آنتن دو بعدی آزمایش می‌کرد. کاتبرت، قبل از ارائه جوایز به تیم‌های برنده، اظهار داشت: «همه ارائه‌ها حجم عظیمی از کار، تعهد و اشتیاق را در چند روز گذشته نشان دادند. "شما دوستان و مخاطبینی پیدا کرده اید که تا آخر عمر با شما خواهند ماند و امیدوارم این تازه شروع تعامل شما با محاسبات کوانتومی و NQCC باشد."

موفقیت این رویداد راه را برای هکاتون‌های آینده هموار می‌کند که به احتمال زیاد بر روی بخش‌های خاص صنعت متمرکز شده‌اند تا متخصصان اولیه‌تر را تشویق به شرکت کنند. همچنین سکوی پرشی مفیدی برای تیم NQCC برای تعامل مداوم با اکوسیستم کوانتومی رو به رشد بریتانیا فراهم می کند. دکارولی گفت: "هکاتون تمام عناصر کلیدی SparQ را در بر می گیرد، اما در مقیاس کوچکتر." ما می‌توانیم این الگوی هکاتون را به پروژه‌های طولانی‌مدت گسترش دهیم، جایی که توسعه‌دهندگان کوانتومی، کاربران نهایی و ارائه‌دهندگان فناوری می‌توانند برای توسعه راه‌حل‌های پیچیده‌تر و آزمایش آن‌ها بر روی پلتفرم‌های سخت‌افزاری با یکدیگر همکاری کنند.»