Yhteistyö tarjoaa katalysaattorin kvanttikiihtyvyydelle

Vuoden 2022 fysiikan Nobel-palkinnolla tunnustettiin Alain Aspectin, John Clauserin ja Anton Zeilingerin uraauurtavia kokeita, jotka osoittivat ensimmäistä kertaa kvanttijärjestelmien potentiaalin tietojen käsittelyssä. Useita vuosikymmeniä myöhemmin tiedemiehet ja insinöörit sekä teollisuudessa että akateemisessa ympäristössä rakentavat näitä saavutuksia luodakseen toimivia kvanttitietokoneita, jotka tarjoavat houkuttelevan välähdyksen niiden mahdollisuuksista ratkaista monimutkaisia ​​ongelmia useissa eri sovelluksissa.

Vaikka edistyminen tähän mennessä on ollut vaikuttavaa, paljon enemmän työtä tarvitaan sellaisten kvanttitietokoneiden luomiseksi, jotka voivat ylittää klassiset vastineensa. Nykypäivän pienimuotoiset kvanttiprosessorit ajavat nyt kubittien määrää kohti 100–1000 aluetta, mutta niihin vaikuttavat kohina ja virheet, jotka rajoittavat niiden laskentakykyä. Teknologian skaalaaminen laajan kvanttiedun saavuttamiseksi vaatii tieteellistä kekseliäisyyttä ja teknistä osaamista useilta eri tieteenaloilta sekä tiivistä yhteistyötä akateemisen ja kaupallisen sektorin välillä.

Isossa-Britanniassa tämä yhteistyö on ajettu läpi Kansallinen Quantum Technologies -ohjelma (NQTP), 1 miljardin punnan aloite, joka on vuodesta 2014 lähtien tukenut kvanttitunnistuksen, kuvantamisen, viestinnän ja tietojenkäsittelyn teknologiakeskittymiä. "Meillä on rikas ekosysteemi, joka työskentelee yhdessä ajaakseen kvanttitietokoneiden skaalaamista hyödyllisten sovellusten tuottamiseksi", sanoo Elham Kashefi, kvanttilaskennan professori Edinburghin yliopistosta ja CNRS-tutkimuksen johtaja Pariisin Sorbonnen yliopistossa.

Kashefi on juuri nimitetty Britannian päätutkijaksi Kansallinen kvanttilaskentakeskus (NQCC), kansallinen laitos, joka käynnistettiin vuonna 2020 NQTP:n lippulaivaohjelmana. NQCC pyrkii nopeuttamaan kvanttilaskennan toimittamista Isossa-Britanniassa tekemällä yhteistyötä tutkimusryhmien ja kaupallisen sektorin kanssa skaalaushaasteisiin vastaamiseksi.

"Osa rooliani NQCC:ssä on tuoda yhteen sovelluskehittäjät ja loppukäyttäjät edistämään hyödyllisten laitteiden kehitystä", Kashefi sanoo. "Olemme nyt siinä vaiheessa, että algoritmivaatimukset voivat vaikuttaa laitteiston suunnitteluun, jolloin pystymme kuromaan umpeen kuilun halutun käyttötapauksen ja nousevan koneen välillä."

Tietojenkäsittelytieteen taustalla oleva Kashefi on pitkään puolustanut ohjelmistojen ja algoritmien roolia kvanttiratkaisujen kehittämisessä. Hän koordinoi ohjelmistojen tutkimusohjelmaa Quantum Computing and Simulation (QCS) -keskus, NQTP:n tukema Yhdistyneen kuningaskunnan yliopistojen yhteenliittymä, joka keskittyy kvanttilaskennan kriittisiin tieteellisiin haasteisiin. Keskus on toiminut useille aloitteleville yrityksille, jotka ovat puolustaneet erilaisia ​​laitteisto- ja ohjelmistoratkaisuja, ja nyt se tekee yhteistyötä NQCC:n kanssa Ison-Britannian kvanttilaskentaekosysteemin kasvattamiseksi muuntamalla tutkimuksen vahvuudet innovatiivisiksi teknologioiksi.

Osana uutta rooliaan Kashefi tekee yhteistyötä NQCC:n kanssa Quantum Software Labin perustamiseksi Edinburghin yliopistoon, ydinaloite, joka laajentaa entisestään NQCC:n ohjelman kansallista jalanjälkeä. "Nyt kohtaamamme fyysisten kubittien skaalautuvuushaaste on ongelma, jonka ratkaisemisessa tietojenkäsittelytiede ja sovellusohjelmistot voivat auttaa", hän sanoo. "Voimme optimoida kubittien vaatimukset kehittämällä yhdessä ohjelmistoja ja ohjausjärjestelmiä vastaamaan sovelluksen tarpeita."

Tällainen yhteiskehitys vaatii monitieteistä lähestymistapaa, jossa yhdistyvät kvanttilaitteiston ja tiedonkäsittelyn tuntemus matemaatikoiden ja tietojenkäsittelytieteilijöiden asiantuntemukseen, jotka ymmärtävät, kuinka käsitellä monimutkaisia ​​laskennallisia ongelmia.

"Yhteyden avulla voimme optimoida järjestelmäarkkitehtuurit ja ohjausjärjestelmät sekä protokollat ​​virheiden lieventämiseen ja korjaamiseen parhaan tuloksen saamiseksi laitteistoalustoista", sanoo Kashefi. "Esimerkiksi korkean suorituskyvyn laskennan parissa työskentelevät ihmiset ovat käyttäneet paljon aikaa optimointiongelmien ratkaisemiseen, ja heidän panoksensa auttaa nopeuttamaan laskennallista etua tuovien kvanttiratkaisujen kehitystä."

Yksi lupaava keino on kehittää hybridilähestymistapoja, joissa yhdistyvät nousevat kvanttilaitteet klassiseen laskentainfrastruktuuriin. Esimerkiksi NQCC on kumppani QuPharma-yhteistyö, 6.8 miljoonan punnan projekti, jonka tavoitteena on lyhentää radikaalisti molekyylisimulaatioiden suorittamiseen tarvittavaa aikaa lääkkeiden löytämiseksi.

Laitteistokehittäjän johdolla SEEQC UK Hankkeessa on mukana saksalainen lääkejätti Merck KgaA, ja sen tavoitteena on yhdistää SEEQC:n kvanttiprosessori klassiseen supertietokoneeseen tehokkaamman alustan luomiseksi lääkesuunnittelulle. "Meidän on ymmärrettävä teollisuuden kipukohdat, jotta voimme kääntää ne tutkimusongelmiksi, jotka kvanttilaskenta voisi ratkaista", Kashefi huomauttaa.

Tällaiset yhteistyöprojektit hyödyntävät Ison-Britannian akateemisen sektorin tieteellistä asiantuntemusta, joka on ruokkinut kvanttiteorian, ohjelmistojen ja algoritmien maailmanluokan tutkimusta sekä kokeellista työtä, joka tutkii kaikkia johtavia qubit-arkkitehtuureja.

"Sovelluksiin ja todentamiseen keskittyneenä olen ollut innoissani siitä, että minulla on pääsy qubit-alustoille suprajohtavista piireistä ja loukkuun jääneistä ioneista fotoniikkaan ja piipohjaisiin laitteisiin", Kashefi sanoo. "Kun kirjoitamme koodia, meidän on oltava tietoisia kunkin qubit-alustan ominaisuuksista ja rajoituksista, koska jotkut sovellukset voivat sopia paremmin tietyn laitteistoratkaisun tarjoamaan kohinamalliin tai liitettävyyteen."

Nouseva kvanttiteollisuus hyötyy myös Ison-Britannian tiedepohjan vahvuudesta, sillä monet kvantti-start-upit ylläpitävät läheisiä yhteyksiä entisiin tutkimusryhmiinsä edistääkseen teknologiaa ja nopeuttaakseen kehitysohjelmiaan.

"Akateeminen sektori toimii ideatehtaana", sanoo David Lucas, QCS Hubin päätutkija ja Oxfordin yliopiston trapped-ion-kvanttilaskentaryhmän toinen johtaja. "Teknologian skaalaaminen on insinöörihaaste, joka ylittää yhden yliopiston tutkimusosaston kyvyt." Yksi NQCC:n keskeisistä tehtävistä onkin tarjota infrastruktuuri ja helpottaa yhteistyötä, jota tarvitaan näiden suunnitteluhaasteiden ratkaisemiseksi.

Tämä teollisuuden ja tiedemaailman välinen synergia on ollut erityisen tehokas Maxwell-alustan, kaupallisen neutraaliatomin kvanttilaskentajärjestelmän, kehittämisessä, jonka on osoittanut M neliö, fotoniikan ja kvanttitekniikoiden kehittäjä Isossa-Britanniassa Kansallinen Quantum Technologies -esittely marraskuussa 2022. Järjestelmän nykyinen versio voi tukea 100 kubittia, ja M Squaredin toimitusjohtaja Graeme Malcolm sanoo, että on olemassa selkeä tie teknologian skaalaamiseen 400 kubittiin ja sitä pidemmälle.

"Maxwellin luomiseksi loimme strategisen kumppanuuden Strathclyden yliopiston kanssa, mikä on tarjonnut yrityksellemme pääsyn maailmanluokan läpimurtofysiikkaan", Malcolm sanoo. "On ollut hienoa, että aivan ovellamme on niin vahva yliopisto-osasto, johon voimme turvautua erikoisosaamiseen, samalla kun olemme pystyneet tuomaan mukanaan luotettavan tuotteen kehittämiseen tarvittavan suunnittelukyvyn."

Maxwell perustuu Jonathan Pritchardin ja hänen Strathclyden tutkimusryhmänsä kehittämään neutraaliatomien kubittiarkkitehtuuriin. Kokeellinen alusta, joka perustuu M Squaredin ydinlaserteknologiaan energian siirtymien manipuloimiseksi ultrakylmissä atomeissa, kehitettiin EPSRC Prosperity Partnership -kumppanuuden kautta. Neliö.

"Teimme tiivistä yhteistyötä M Squaredin fotoniikkainsinöörien kanssa optimoidaksemme laserien suorituskyvyn ja joissakin tapauksissa suunnitellaksemme uusia laitteita, jotka on räätälöity tarvitsemiemme erityisiin atomiprosesseihin", Pritchard sanoo. Samaan aikaan kaupallisen järjestelmän kehittämisen mahdollisti LÖYTÖ -ohjelma, 10 miljoonan punnan projekti, jota koordinoi M Squared ja jota tukee Innovate UK:n Quantum Technologies Challenge -ohjelma kaupallisen kvanttilaskennan teknologian esteiden poistamiseksi.

Yksi yhteistyön seuraavista vaiheista on työskennellä Strathclyden yliopiston kvanttisimuloinnin ja laskennan asiantuntijan Andrew Daleyn kanssa kvanttialgoritmien kehittämiseksi, jotka osoittavat alustan kyvyn. Vuonna 2021 yhdysvaltalaisen Harvardin yliopiston johtama tutkimusryhmä osoitti, että 256 kubitista koostuvaa neutraaliatomijärjestelmää voidaan käyttää monikappaleisten järjestelmien kvanttikäyttäytymisen simuloimiseen ja tarkkailuun, ja aiemmin tänä vuonna tutkimusryhmä käytti 289 kubitin järjestelmää. versio osoittavat polun kvanttietuihin tietylle analogisten kvanttialgoritmien luokalle.

"Strathclyden yliopiston kanssa kehittämämme järjestelmä on kilpailukykyinen maailman parhaiden neutraaliatomien kvanttitietokoneiden kanssa", Malcolm sanoo. "Haluamme nyt laittaa osan näistä algoritmeista demonstroimiimme laitteistoihin ja luoda kumppanuuksia nähdäksemme, missä se voi tarjota lisäarvoa todellisiin haasteisiin."

Tarve ottaa käyttöön vankat benchmarking- ja sertifiointiprotokollat ​​on toinen tärkeä prioriteetti Kashefille ja NQCC:lle. Kashefi on keskittynyt omassa tutkimusohjelmassaan kehittämään verifiointi- ja testaustyökaluja, joiden hän uskoo auttavan nopeuttamaan lupaavimpien teknologioiden kehitystä.

"Kun eri laitteita ilmestyy, meidän on osattava arvioida niitä ja miten verrata niiden suorituskykyä muihin alustoihin", hän sanoo. "Luotettava testauskehys antaa ratkaisevaa palautetta, jonka avulla voimme siirtyä nopeammin uuteen järjestelmään."

Vuonna 2021 NQCC otti käyttöön Riverlane, kvanttialgoritmien ja -ohjelmistojen asiantuntija, kehittääkseen benchmarking-ohjelmiston, jonka avulla voidaan vertailla erityyppisten kvanttiprosessorien suorituskykyä. National Physical Laboratoryn johtama konsortio tutkii myös kvanttilaskennan keskeisiä mittareita tavoitteenaan kehittää avoimia standardeja kansainvälisen teknologiakehityksen tukemiseksi. "NQCC ei yritä työntää mitään tiettyä laitteistoratkaisua, mutta eri alustojen vertailu on todella hyödyllistä sekä oman kehitysohjelman että laajemman ekosysteemin stimuloinnissa", Kashefi sanoo.

Tällainen benchmarking antaa myös mahdollisuuden ymmärtää, missä kvanttiratkaisut tarjoavat todellista etua klassisiin laskenta-arkkitehtuureihin verrattuna. "Kvanttilaskenta on hämmästyttävää ja vallankumouksellista tekniikkaa, mutta viime kädessä se on vain yksi laskennallinen työkalu", jatkaa Kashefi. "Oikea benchmarking antaa meille mahdollisuuden ymmärtää, mitkä tehtävät sopivat parhaiten klassiseen tietokoneeseen ja mitä voidaan parantaa kvanttiratkaisulla."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/