Mauro Paternostro: visio kvanttimaisemasta – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-caption="Kvanttinäkemys Mauro Paternostro. (Kohtelias: Queen's University Belfast)”>

Olemme keskellä kvanttirenessanssia, ja kaikki tiedemaailman ja teollisuuden tutkijat kilpailevat "voittaakseen" kvanttilaskentakilpailun. Kvanttimarkkinat kukoistavat, ja monet yritykset, niin suuret kuin pienetkin, investoivat tähän teknologiaan, ja niitä tukee valtava valtion rahoitus eri puolilla maailmaa.

Mauro Paternostro, kvanttifyysikko Palermon yliopistosta ja Queen's University Belfastissa, on kvanttiinformaation käsittelyn ja kvanttiteknologian asiantuntija. Hänen tiiminsä työskentelee aiheen perusteiden parissa ja tekee uraauurtavaa tutkimusta kaviteettioptomekaniikasta, kvanttiviestinnästä ja muualta. Hän on myös IOP Publishing -lehden päätoimittaja Kvanttitiede ja teknologia.

Tässä laajassa haastattelussa Paternostro puhuu Tushna Commissariatille näkemyksistään kvanttimaisemasta – kvanttiteknologian ja hybridiarkkitehtuurien "neljästä pilarista" kvanttiteknologian ja tekoälyn (AI) lupaavaan avioliittoon. Paternostro korostaa myös jatkuvan valtionrahoituksen tarvetta tämän maailmaa muuttavan teknologian todellisen potentiaalin toteuttamiseksi.

Olemme nähneet kvanttikuplan räjähtäneen viimeisen vuosikymmenen aikana, mutta mitkä ovat mahdolliset edut ja riskit kvanttiteknologiayritysten ja rahoituksen eksponentiaalisesta laajentumisesta ympäri maailmaa?

Kaiken kaikkiaan kuva on erittäin positiivinen. Kvanttitiedonkäsittely tarvitsi teollisuuden vauhtia, sillä yritykset voivat ajaa alan tarvitsemaa pragmaattisempaa kehitystä. Teollisuuden tarjoama näkökulma auttaa muotoilemaan kvanttiteknologioita keskitetymmin yleistavoitteiden osalta. Orastavat, räjähdysmäisesti kasvavat markkinat – olipa kyse sitten teollisuudesta tai korkeakouluista – ovat mahtavat.

Mutta kuten totesit, kasvu on ollut nopeaa. Ja vaikka se on enimmäkseen hyvä asia, on myös hieman huolia siitä, että saatamme luoda suuren kuplan, joka puhkeaa ennemmin tai myöhemmin. Uskon siis, että kyse on hallinnasta – meidän täytyy jonkin verran hillitä itseämme ja samalla antaa tutkimusalueen kasvaa orgaanisesti.

Olen hieman huolissani pienten yritysten määrästä, jotka kaikki näyttävät kehittävän omaa kvanttiohjelmistoaan. Heidän tuotteillaan on hyvin vähän tekemistä todellisten kvanttialgoritmien kanssa, ja ne ovat tyypillisesti klassisia optimointiratkaisuja – joilla on omat etunsa. Mutta ne eivät välttämättä ole sitä, mitä kutsuisin kvanttikehykseksi.

Toisaalta jotkut spin-off-yritykset ovat suuntautuneet enemmän kvanttikäsittelyalustojen, kuten kvanttianturien, toteuttamiseen. Nämä ovat todella mielenkiintoisia, koska kyseessä ei ole vain kvanttilaskenta, vaan myös muut fysikaaliset lait.

Kvanttiteknologian kehityksen taustalla on neljä pilaria: kvanttilaskenta; kvantti simulointi; kvanttiviestintä; ja kvanttitunnistus ja metrologia. Ja sanoisin, että kaikki neljä kehittyvät erittäin terveellä tavalla.

Kvanttitunnistaminen näyttää olevan yksi edistyneimmistä yhdessä viestinnän kanssa niiden hyödyntämien teknologioiden kypsyyden ansiosta. Vaikka teollisuuden osallistuminen on hyödyllistä ja lupaavaa, meidän tulee olla varovaisia ​​villiä spekulaatiota ja "inflaatiota" kohtaan, joka johtuu yrittämisestä hypätä nopeaan bussiin ilman, että matkan koko hinta on käsillä.

Ja vaikka suhtaudun usein skeptisesti pienempiin yrityksiin, saat joskus myös huolestuttavia uutisia suurilta toimijoilta. Esimerkiksi kiinalainen teknologiayritys Alibaba oli kiinnostunut kehittämään kvanttilaskentaalustoja ja -ratkaisuja, kunnes se yhtäkkiä päätti viime vuoden lopulla sulkea oman kvanttitiiminsä ja totesi keskittyvänsä mieluummin johtajuuteen tekoälytutkimuksessa.

Oliko tämä vain liikepäätös vai haiseeko Alibaba jotain, jota emme ole vielä haistaneet? Luulen, että meidän on odotettava ja katsottava. Kaiken kaikkiaan tulevaisuus on mielestäni valoisa ja teollisuuden osallistuminen on erittäin hyvä uutinen.

Huipulta kilpailee useita erilaisia ​​kvanttilaskentatekniikoita – loukkuun jääneistä ioneista ja kvanttipisteistä suprajohtaviin ja fotonisiin kubiitteihin. Kumpi mielestäsi onnistuu todennäköisimmin?

Olen tavallaan agnostikko, sillä en usko, että ensimmäinen rakentamamme kvanttilaite on täysin kvantti. Tiedän, että joillekin tämä on kiistanalainen näkemys, mutta monet muut alallani jakavat mielipiteen. Uskon, että päädymme hybridiarkkitehtuuriin, jossa on paras korkean suorituskyvyn tietojenkäsittely (HPC) on liitäntä kvanttilaskenta-arkkitehtuurien kanssa.

Ehkä nämä meluisa keskikokoinen kvantti (NISQ) arkkitehtuurien rinnalle tulee täysi HPC-arkkitehtuuri, joka parantaa niiden suorituskykyä tai päinvastoin. Tämäntyyppisen hybridilaitteen pöydälle asettamat kvanttiresurssit parantavat suorituskykyä, jonka nykyinen klassinen HPC pystyy tuottamaan. Uskon vahvasti tällaisen hybridiarkkitehtuurin toteutettavuuteen – täyskvanttiratkaisu on vielä kaukana nykyisestä.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-1.jpg" data-caption="Tekniikan voitto Kiekko täynnä kvanttiprosessoreita kanadalaiselta kvanttilaskentayritykseltä D-Wave. (CC BY 2.0 Steve Jurvetson)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the -quantum-landscape-physics-world-1.jpg”>

En myöskään ole täysin vakuuttunut siitä, että meillä on kyky hallita valtavia resursseja, joita tarvittaisiin kvanttitietokoneen tarjoaman laskentatehon aukon hyödyntämiseen. Keskipitkän aikavälin tavoite, joka tähtää tähän hybridi-HPC-kvanttiarkkitehtuuriin, on paljon realistisempi – ja mahdollisesti erittäin hedelmällinen – arkkitehtuuri. Olen lievästi optimistinen, että elämässäni tapahtuu jotain.

Mainitsit, että kvanttiantureita kehitetään jo monenlaisiin sovelluksiin, kuten terveydenhuoltoon, rakentamiseen ja jopa painovoiman mittaukseen. Mitä uutta ja jännittävää tällä alueella on?

Kvanttisensorit kehittävät hämmästyttäviä ominaisuuksia tutkiakseen mekanismeja, jotka ovat toistaiseksi olleet vaikeasti havaittavissa. Pohjimmiltaan nämä anturit auttavat meitä havaitsemaan paremmin painovoiman kaltaisten voimien mahdolliset kvanttivaikutukset, joita monet Yhdistyneen kuningaskunnan tutkijat ovat kiinnostuneita tavoittelemaan. Huomattava osa kokeellisesta yhteisöstä pyrkii näihin tavoitteisiin – Birminghamin yliopiston kvanttikeskus johtaa tällä rintamalla.

En usko, että kukaan väittää, että on olemassa voittoisaa kokeellista alustaa – sekä kylmät atomit että optomekaniikka ovat tässä suhteessa lupaavimpia. Mutta tämän alueen saavuttama teoreettinen ja kokeellinen edistys on erittäin mielenkiintoinen.

Anturit, jotka voivat tutkia vaikeasti havaittavien fyysisten mekanismien perustavanlaatuista luonnetta, ovat mielestäni avainkehitys. Ja sitten on muita anturilaitteita, kuten kiihtyvyysantureita tai kuvantajia, jotka ovat jo melko vakiintuneita. The Yhdistyneen kuningaskunnan kansallinen kvanttiteknologiaohjelma on jo edistynyt merkittävästi tässä suhteessa, ja tekniikka on saatavilla ja tarpeeksi kypsä, jotta sillä on todellista vaikutusta.

Mielestäni teollisuuden pitäisi panostaa voimakkaasti tälle alueelle, koska viestinnän ohella aistiminen on tässä vaiheessa kvanttiteknologioiden toteutuksen kärjessä.

Kvanttimarkkinoiden näyttämö: missä kvanttiliiketoiminta on ja miten se voi kehittyä

Entä kvanttiviestintä?

Kvanttiviestintä on luultavasti konkreettisin esimerkki siitä, kuinka akateeminen edistys on saatettu toimimaan teollisuuden johtamien tavoitteiden hyväksi. Se on ollut aivan loistava esimerkki siitä, mitä voimme saavuttaa, kun nämä kaksi komponenttia toimivat yhdessä.

Vaikka edistyminen on ollut fantastista, on myös kiistanalaisia ​​näkökohtia, varsinkin kun tarkastellaan globaalin kvanttiverkoston laajempia geopoliittisia vaikutuksia. Viestintä- ja tietoturvakysymys tulee olemaan merkittävä, joten meidän on harkittava huolellisesti tämän teknologisen kehityksen laajempia vaikutuksia. Geopoliittiset rajat muuttuvat jatkuvasti, eivätkä niiden tavoitteet aina ole tieteellisten tavoitteiden mukaisia.

Mitkä ovat avainalueita, joilla tekoäly ja kvanttiteknologiat risteävät? Missä ne auttavat parhaiten toisiaan ja mitkä ovat mahdollisia ongelmia?

Tämä on erittäin tärkeä kysymys. Sanomattakin on selvää, että molempien alueiden pyhä malja on hyvin lähellä – sekä tekoäly että kvanttilaskenta perustuvat uusien algoritmien kehittämiseen. Kuulemme ihmisten puhuvan kvanttikoneoppimisesta (ML) tai kvantti tekoälystä, mutta sitä he eivät todellakaan tarkoita. Ne eivät viittaa erityisesti AI- tai ML-ongelmiin suunniteltuihin kvanttialgoritmeihin. Ne tarkoittavat klassisen koneoppimisen tai klassisen tekoälyn hybridisaatiota kvanttiongelmien kanssa.

Nämä ratkaisut riippuvat alasta ja ongelmasta, jota yritämme ratkaista. Mutta yleisesti ottaen tarkastelemme klassisia tekniikoita tietojoukkojen käsittelyyn; ongelmien optimointi; kustannustoimintojen ratkaiseminen; ja kvanttiongelmien hallinta, optimointi ja manipulointi.

Se on erittäin lupaavaa, koska kokoat yhteen kahden maailman parhaat puolet. Teoreettisesta näkökulmasta tavoitteena on käsitellä yleisellä kvanttimekaanisella tasolla olevia kysymyksiä ja ehkä laajempia ja monimutkaisempia mittakaavan ongelmia. Haluamme rakentaa algoritmitasolla työkaluja, joiden avulla voit selviytyä näiden ongelmien monimutkaisuudesta sertifioitavalla ja konsolidoidulla tavalla.

Ja mielenkiintoista on, että kokeet ovat alkaneet seurata teoreettista kehitystä. Meillä on jo useita ratkaisuja, lähestymistapoja ja menetelmiä, jotka on kehitetty tässä hybridiskenaariossa, jossa ML ja kvanttitietojen käsittely yhdistyvät.

Toivon, että nämä kokeet tutkitaan täysin lähivuosina, eivätkä ne jää kiinni, jos tekoäly ja kvanttikupla puhkeavat. Epäilen kuitenkin, etteikö näin olisi, koska tekoäly on tullut jäädäkseen, kun taas ML on nyt häviämätön työkalu, jota dataanalyytikot käyttävät maailmanlaajuisesti. Jos meillä on kunnianhimoa lisätä niiden ongelmien monimutkaisuutta, joita voimme ja meidän pitäisi ratkaista, meidän on keskityttävä näiden välineiden kehittämiseen.

Mitä uusia aloitteita tällä alalla on meneillään?

Aikaisemmin tänä vuonna, Ison-Britannian tutkimus ja innovaatio (UKRI) ilmoitti rahoittavansa yhdeksää uutta tutkimuskeskusta "toimittamaan vallankumouksellisia tekoälytekniikoita" monimutkaisten ongelmien ratkaisemiseksi terveydenhoidosta energiaan sekä 10 muuta tutkimusta "vastuullisen tekoälyn" määrittelemiseksi. Tiedän, että monissa näistä on kvanttikomponentti – erityisesti terveydenhuollossa, jossa tekoälypohjaiset ratkaisut ovat ehdottoman perustavanlaatuisia, mutta myös kvanttiratkaisuja voi olla.

Olen siis erittäin optimistinen tekoälyn ja kvanttitekniikan yhdistämisen suhteen, kunhan tekoälykehyksen kehittämistä säännellään. Juuri nyt, Euroopan komissio muotoilee tekoälylakinsa oikeudellista kehystä, joka käsittelee tekoälyn mahdollisesti aiheuttamia riskejä ja maailmanlaajuista roolia, jonka EU toivoo ottavan teknologian säätelyssä. Sekä Iso-Britannia että Yhdysvallat ovat työstäneet samanlaisia ​​puitteita jo jonkin aikaa, joten meidän pitäisi muotoilla jonkin verran globaalia politiikkaa ja sääntelyä ennemmin tai myöhemmin.

Niin kauan kuin tämä kehitys noudattaa säänneltyä politiikkaa vankalla kehyksellä, tekoälyn vuorovaikutuksen kvanttiteknologioiden kanssa pitäisi luoda hyödyllinen kaksisuuntainen palautemekanismi, joka auttaa molempia kenttiä kasvamaan merkittävästi.   

Mitä tulee kvanttiteknologian rahoitukseen hallituksilta maailmanlaajuisesti, millä erityisalueilla haluaisit nähdä lisäinvestointeja?

Minun apurahat! Mutta vakavammin sanottuna, hallituksen tason investoinnit ovat olleet laajalle levinneitä ja merkittäviä tällä tieteenalalla, joka on pohjimmiltaan edelleen nousemassa oleva tieteenala. Verrattuna joihinkin muihin tiederahoitusta saaviin aloihin, kuten sotilaalliseen tai lääketieteelliseen tutkimukseen, lautaselle laitettu rahamäärä on melkein naurettava – mutta se on meille tietysti erittäin hyvä asia. Tällaisten julkisten menojen etuna on, että se pakottaa meidät muodostamaan yhteisön ja asettamaan yhteisiä tavoitteita.

Jos viitataan edellä mainittuihin neljään pilariin, taustalla on perustavanlaatuisen fysiikan ja teoreettisen kehityksen yhteys. Eri maat ovat valinneet yhden tai useamman pilarin keskittyäkseen asiantuntemuksensa ja resurssiensa mukaan. USA on erittäin keskittynyt laskemiseen. EU on levinneisempi ja siksi tilanne on monimutkaisempi, mutta viestintään panostetaan paljon, samoin kuin kiinnostus simulointiin kasvaa, ja useat EU:n kansalliset strategiat keskittyvät myös havainnointiin.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-3.jpg" data-caption="Kvanttiosaaminen IBM Quantumin tutkija laboratoriossa yrityksen rakentaman suuren kvanttijärjestelmän kanssa. (Kohteet: IBM)” title=”Avaa kuva ponnahdusikkunassa napsauttamalla” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum -landscape-physics-world-3.jpg”>

Yhdistynyt kuningaskunta yrittää myös kattaa koko spektrin, mutta tunnistaa joitakin hyvin tarkasti määriteltyjä aiheita kuvantamisesta laskemiseen ja viestinnästä tunnistustilaan. On maita, kuten Suomi, joissa on kokeellisempi lähestymistapa ja jotka ovat keskittyneet suprajohtaviin arkkitehtuureihin, sillä niillä on jo valmiiksi valtavat tilat. Singapore puolestaan ​​kehittää erittäin vahvaa tutkimuslinjaa satelliittipohjaisessa kvanttiviestinnässä. Pienelle maalle sillä on valtava potentiaali sekä lahjakkuuden että resurssien osalta.

Eri maat ovat siis kehittäneet omaa osaamisaluettaan orgaanisella tavalla. Ja tekemällä niin me kaikki voitamme yhteisönä – hyödymme kaikki saavutetusta edistyksestä. Jotkut vauvan askeleet, jotkut lisää askeleita, jotkut valtavia kvanttihyppyjä.

Minusta on todella tärkeää, että hallitukset, kansalliset ja superkansalliset, ymmärtävät, että investointeja kvanttiteknologioihin on jatkettava. Se on alue, joka tarvitsee jatkuvaa, katkeamatonta tukea saavuttaakseen ylevät tavoitteensa. Ja meidän tiedeyhteisönä on projisoitava johdonmukainen kuva, jolla on samat tavoitteet, huolimatta eroistamme. Vain silloin pystymme parhaiten muuttamaan kvanttiteknologiaa elämää muuttaviin todellisuuksiin.

Uutena päätoimittajana Kvanttitiede ja teknologia (QST), mikä on näkemyksesi lehdestä?

Se on suuri kunnia, ja olen täysin imarreltu, mutta se on myös suuri yritys, kun otetaan huomioon kvanttiaiheisten lehtien kehittyvä maisema. Haluan lehden osalta varmistaa, että QST on edelleen yksi suosituimmista tavoista lähettää huippuluokan kirjoituksia. Mutta haluan myös olla mukana muokkaamassa lehden manifestia ja sen tavoitteita.

Ensisijaisena tavoitteeni päätoimittajana on siksi ollut perustaa johtokunta, joka yhdessä toimituksen tuen kanssa muokkaa lehden laajuutta ja tehtävää selkeästi. Ja se sitten kertoo siitä, miten lehti kehittyy muutaman seuraavan vuoden aikana kvanttitutkimusyhteisön ohjaamana. Laajuuden kannalta haluaisin nähdä enemmän laadukkaita kokeellisia päivityksiä, jotka työntävät kvanttiteknologioiden käyttöönoton verhoa.

IOP Publishingilla on a muuttava sopimus (TA) oppilaitoksesi kanssa avoimen julkaisun osalta. Voitko kertoa minulle siitä?

Uskon, että se on ollut mullistava sopimus tuotoksemme julkaisemisen osalta. Kun otetaan huomioon tiukat kriteerit, joita toimikunnat ovat asettaneet apurahoilla – esimerkiksi Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) – tuetuille tuotoksille, ja tarve, että ne ovat täysin saatavilla ja data on täysin yhteisön saatavilla, Tarvitsemme avoimen pääsyn takaavan TA:n. On hienoa saada mielenrauha, että IOP Publishing on varteenotettava tapa julkaista EPSRC-yhteensopivia tuotoksiani.

Rahoituksen noudattamisen lisäksi IOPP-sopimus poistaa artikkelijulkaisumaksujen (APC) laskujen käsittelystä aiheutuvan hallinnollisen taakan, mikä on suuri helpotus tutkijoille. Olen kannattanut aloitteen laajentamista – solmimalla vastaavia sopimuksia muiden kustantajien kanssa – mutta myös varmistanut, ettei kyseessä ole kertaluonteinen kokeilu, joka katoaa seuraavan vuoden aikana. Meidän pitäisi tehdä siitä järjestelmällinen tapa, jolla toimielimet ovat mukana paitsi Yhdistyneessä kuningaskunnassa, myös minun mielestäni Euroopan. Se pitäisi kapseloida alusta alkaen korkeakoulujen ja tutkimuslaitosten toimintaan. On ratkaisevan tärkeää varmistaa synergia kustannusyhtiöiden ja yliopistojen tai tutkimuslaitosten välillä.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/