सहयोग क्वांटम त्वरण के लिए उत्प्रेरक प्रदान करता है

भौतिकी के लिए 2022 के नोबेल पुरस्कार ने एलन एस्पेक्ट, जॉन क्लॉज़र और एंटोन ज़िलिंगर द्वारा अग्रणी प्रयोगों को मान्यता दी, जिन्होंने पहली बार सूचना प्रसंस्करण के लिए क्वांटम सिस्टम की क्षमता का प्रदर्शन किया। कई दशक बाद, उद्योग और शिक्षा दोनों में वैज्ञानिक और इंजीनियर इन उपलब्धियों पर कार्यशील क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए निर्माण कर रहे हैं जो अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला में जटिल समस्याओं से निपटने की उनकी क्षमता की एक आकर्षक झलक पेश करते हैं।

जबकि अब तक की प्रगति प्रभावशाली रही है, क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए बहुत अधिक काम की आवश्यकता है जो अपने शास्त्रीय समकक्षों को बेहतर प्रदर्शन कर सके। आज के छोटे पैमाने के क्वांटम प्रोसेसर अब qubits की संख्या को 100-1000 रेंज की ओर धकेल रहे हैं, लेकिन वे शोर और त्रुटियों से प्रभावित हैं जो उनकी कम्प्यूटेशनल क्षमताओं को सीमित करते हैं। व्यापक मात्रा में लाभ प्राप्त करने के लिए प्रौद्योगिकी को बढ़ाने से कई अलग-अलग विषयों में वैज्ञानिक सरलता और इंजीनियरिंग की जानकारी के साथ-साथ शैक्षणिक और वाणिज्यिक क्षेत्रों के बीच घनिष्ठ सहयोग प्राप्त होगा।

यूके में सहयोग के माध्यम से संचालित किया गया है राष्ट्रीय क्वांटम प्रौद्योगिकी कार्यक्रम (NQTP), एक £1bn पहल है जिसने 2014 से क्वांटम सेंसिंग, इमेजिंग, संचार और कंप्यूटिंग में प्रौद्योगिकी केंद्रों का समर्थन किया है। "हमारे पास एक समृद्ध पारिस्थितिकी तंत्र है जो उपयोगी अनुप्रयोगों को वितरित करने के लिए क्वांटम कंप्यूटरों के स्केलिंग को आगे बढ़ाने के लिए एक साथ काम कर रहा है," एल्हम काशेफी, एडिनबर्ग विश्वविद्यालय में क्वांटम कंप्यूटिंग के प्रोफेसर और पेरिस में सोरबोन विश्वविद्यालय में अनुसंधान के सीएनआरएस निदेशक कहते हैं।

काशेफी को अभी-अभी यूके का मुख्य वैज्ञानिक नियुक्त किया गया है राष्ट्रीय क्वांटम कम्प्यूटिंग केंद्र (NQCC), NQTP के प्रमुख कार्यक्रम के रूप में 2020 में शुरू की गई एक राष्ट्रीय सुविधा। NQCC का उद्देश्य स्केलिंग चुनौतियों का समाधान करने के लिए अनुसंधान समूहों और वाणिज्यिक क्षेत्र के साथ साझेदारी करके यूके में क्वांटम कंप्यूटिंग के वितरण में तेजी लाना है।

काशेफी कहते हैं, "एनक्यूसीसी के साथ मेरी भूमिका का हिस्सा उपयोगी उपकरणों के विकास को आगे बढ़ाने के लिए एप्लिकेशन डेवलपर्स और अंतिम उपयोगकर्ताओं को एक साथ लाना होगा।" "अब हम उस स्तर पर हैं जहां एल्गोरिदम की आवश्यकताएं हार्डवेयर के डिजाइन को प्रभावित कर सकती हैं, जिससे हमें वांछित उपयोग-मामले और उभरती मशीन के बीच अंतर को बंद करने की अनुमति मिलती है।"

कंप्यूटर विज्ञान की पृष्ठभूमि के साथ, काशेफी लंबे समय से उस भूमिका के हिमायती रहे हैं जो सॉफ्टवेयर और एल्गोरिदम क्वांटम समाधान विकसित करने में निभा सकते हैं। उसने सॉफ्टवेयर अनुसंधान कार्यक्रम के भीतर समन्वय किया क्वांटम कंप्यूटिंग और सिमुलेशन (क्यूसीएस) हब, एनक्यूटीपी द्वारा समर्थित यूके विश्वविद्यालयों का एक संघ जो क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए महत्वपूर्ण वैज्ञानिक चुनौतियों पर ध्यान केंद्रित करता है। हब विभिन्न हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर समाधानों के लिए कई स्टार्ट-अप कंपनियों के लिए लॉन्चपैड रहा है, और अब नवीन तकनीकों में अनुसंधान की ताकत का अनुवाद करके यूके क्वांटम कंप्यूटिंग पारिस्थितिकी तंत्र को विकसित करने के लिए NQCC के साथ काम करता है।

अपनी नई भूमिका के हिस्से के रूप में, काशेफी एनक्यूसीसी के साथ एडिनबर्ग विश्वविद्यालय में एक क्वांटम सॉफ्टवेयर लैब स्थापित करने के लिए काम करेंगी, जो एक प्रमुख पहल है जो एनक्यूसीसी के कार्यक्रम के राष्ट्रीय पदचिह्न को आगे बढ़ाएगी। वह कहती हैं, "अब हम जिस स्केलेबिलिटी चुनौती का सामना कर रहे हैं, वह एक ऐसी समस्या है, जिसे कंप्यूटर साइंस और एप्लिकेशन सॉफ़्टवेयर हल करने में मदद कर सकते हैं।" "हम एप्लिकेशन की जरूरतों को पूरा करने के लिए सॉफ्टवेयर और नियंत्रण प्रणाली को सह-विकास करके qubits के लिए आवश्यकताओं को अनुकूलित कर सकते हैं।"

इस तरह के सह-विकास के लिए बहु-विषयक दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है जो क्वांटम हार्डवेयर और सूचना प्रसंस्करण के ज्ञान को गणितज्ञों और कंप्यूटर वैज्ञानिकों की विशेषज्ञता के साथ जोड़ती है जो जटिल कम्प्यूटेशनल समस्याओं से निपटने के तरीके को समझते हैं।

काशेफी कहते हैं, "शास्त्रीय कंप्यूटर विज्ञान में हमारे पास मौजूद ज्ञान के धन से जुड़ने से हमें सिस्टम आर्किटेक्चर और कंट्रोल सिस्टम के साथ-साथ त्रुटि शमन और सुधार के लिए प्रोटोकॉल का अनुकूलन करने में मदद मिलेगी।" "उदाहरण के तौर पर, उच्च प्रदर्शन कंप्यूटिंग में काम करने वाले लोगों ने अनुकूलन समस्याओं को हल करने का तरीका जानने में काफी समय बिताया है, और उनका इनपुट क्वांटम समाधानों के विकास में तेजी लाने में मदद करेगा जो कम्प्यूटेशनल लाभ प्रदान करते हैं।"

एक आशाजनक अवसर हाइब्रिड दृष्टिकोण का विकास है जो क्लासिकल कंप्यूटिंग इंफ्रास्ट्रक्चर के साथ उभरते हुए क्वांटम उपकरणों को जोड़ता है। उदाहरण के तौर पर, NQCC इसमें भागीदार है क्यूफार्मा सहयोग, एक £6.8m परियोजना जिसका उद्देश्य दवाओं की खोज के लिए आणविक सिमुलेशन चलाने के लिए आवश्यक समय को मौलिक रूप से कम करना है।

हार्डवेयर डेवलपर के नेतृत्व में एसईईक्यूसी यूके और जर्मन फार्मास्युटिकल दिग्गज मर्क केजीए को शामिल करते हुए, इस परियोजना का उद्देश्य दवा डिजाइन के लिए एक अधिक शक्तिशाली मंच बनाने के लिए एसईईक्यूसी के क्वांटम प्रोसेसर को शास्त्रीय सुपरकंप्यूटर के साथ जोड़ना है। "हमें उद्योग में दर्द बिंदुओं को समझने की जरूरत है ताकि हम उन्हें उन शोध समस्याओं में अनुवाद कर सकें जिन्हें क्वांटम कंप्यूटिंग हल करने में सक्षम हो सकती है," कशेफी बताते हैं।

इस तरह की सहयोगी परियोजनाएं यूके के अकादमिक क्षेत्र के भीतर मौजूद वैज्ञानिक विशेषज्ञता पर आधारित हैं, जिसने क्वांटम सिद्धांत, सॉफ्टवेयर और एल्गोरिदम में विश्व स्तरीय शोध के साथ-साथ सभी प्रमुख क्वाबिट आर्किटेक्चर की जांच करने वाले प्रायोगिक कार्य को पोषित किया है।

"एक ऐसे व्यक्ति के रूप में जो अनुप्रयोगों और सत्यापन पर केंद्रित है, मैं सुपरकंडक्टिंग सर्किट और फंसे हुए आयनों से लेकर फोटोनिक्स और सिलिकॉन-आधारित उपकरणों तक के क्वबिट प्लेटफॉर्म तक पहुंच के लिए रोमांचित हूं," काशेफी कहते हैं। "जब हम कोड लिखते हैं तो हमें प्रत्येक क्विबिट प्लेटफॉर्म की क्षमताओं और सीमाओं से अवगत होना चाहिए, क्योंकि कुछ एप्लिकेशन शोर मॉडल या किसी विशेष हार्डवेयर समाधान द्वारा प्रदान की जाने वाली कनेक्टिविटी के लिए अधिक उपयुक्त हो सकते हैं।"

उभरते हुए क्वांटम उद्योग को यूके के भीतर विज्ञान आधार की ताकत से भी लाभ मिलता है, कई क्वांटम स्टार्ट-अप प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने और अपने विकास कार्यक्रमों में तेजी लाने के लिए अपने पूर्व अनुसंधान समूहों के साथ घनिष्ठ संबंध बनाए रखते हैं।

क्यूसीएस हब के प्रमुख अन्वेषक और ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय में ट्रैप्ड-आयन क्वांटम-कंप्यूटिंग समूह के सह-नेता डेविड लुकास कहते हैं, "अकादमिक क्षेत्र एक विचार कारखाने के रूप में कार्य करता है।" "प्रौद्योगिकी को बढ़ाना एक इंजीनियरिंग चुनौती है जो एक विश्वविद्यालय अनुसंधान विभाग की क्षमताओं से परे फैली हुई है।" वास्तव में, NQCC के लिए एक महत्वपूर्ण भूमिका बुनियादी ढांचा प्रदान करना और इन इंजीनियरिंग चुनौतियों का समाधान करने के लिए आवश्यक सहयोग को सुगम बनाना है।

मैक्सवेल प्लेटफॉर्म के विकास में उद्योग और शिक्षा के बीच तालमेल विशेष रूप से प्रभावी रहा है, एक वाणिज्यिक तटस्थ-परमाणु क्वांटम-कंप्यूटिंग सिस्टम द्वारा प्रदर्शित एम चुकता, यूके में फोटोनिक्स और क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकासकर्ता नेशनल क्वांटम टेक्नोलॉजीज शोकेस नवंबर 2022 में। सिस्टम का वर्तमान संस्करण 100 qubits का समर्थन कर सकता है, और M Squared के CEO ग्रीम मैल्कम का कहना है कि प्रौद्योगिकी को 400 qubits और उससे आगे तक बढ़ाने का एक स्पष्ट मार्ग है।

मैल्कम कहते हैं, "मैक्सवेल बनाने के लिए हमने स्ट्रेथक्लाइड विश्वविद्यालय के साथ एक रणनीतिक साझेदारी बनाई, जिसने हमारी कंपनी को विश्व स्तरीय सफलता भौतिकी तक पहुंच प्रदान की है।" "हमारे दरवाजे पर इतना मजबूत विश्वविद्यालय विभाग होना बहुत अच्छा है कि हम विशेषज्ञ विशेषज्ञता के लिए झुक सकें, जबकि हम एक विश्वसनीय उत्पाद विकसित करने के लिए आवश्यक इंजीनियरिंग क्षमता लाने में सक्षम हैं।"

मैक्सवेल जोनाथन प्रिचर्ड और स्ट्रैथक्लाइड में उनकी शोध टीम द्वारा सिद्ध एक तटस्थ-परमाणु कक्षा वास्तुकला पर आधारित है। प्रायोगिक मंच, जो अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं में ऊर्जा संक्रमण में हेरफेर करने के लिए एम स्क्वायर की कोर लेजर तकनीक पर निर्भर करता है, को ईपीएसआरसी समृद्धि साझेदारी के माध्यम से विकसित किया गया था वर्ग.

प्रिटचर्ड कहते हैं, "लेज़रों के प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए, और कुछ मामलों में हमें आवश्यक विशिष्ट परमाणु प्रक्रियाओं के अनुरूप नए उपकरणों को डिज़ाइन करने के लिए हमने एम स्क्वायर में फोटोनिक्स इंजीनियरों के साथ मिलकर काम किया।" इस बीच, वाणिज्यिक प्रणाली का विकास इसके द्वारा सक्षम किया गया था खोज कार्यक्रम, एक £10 मीटर परियोजना एम स्क्वायर द्वारा समन्वित और वाणिज्यिक क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए प्रौद्योगिकी बाधाओं को दूर करने के लिए इनोवेट यूके के क्वांटम टेक्नोलॉजीज चैलेंज प्रोग्राम द्वारा समर्थित है।

सहयोग के लिए अगले कदमों में से एक एंड्रयू डेली के साथ काम करना होगा, जो स्ट्रैथक्लाइड विश्वविद्यालय में क्वांटम सिमुलेशन और कंप्यूटिंग के विशेषज्ञ हैं, जो क्वांटम एल्गोरिदम विकसित करने के लिए मंच की क्षमता का प्रदर्शन करते हैं। 2021 में अमेरिका में हार्वर्ड विश्वविद्यालय के नेतृत्व में एक शोध दल ने दिखाया कि 256 क्विबिट्स से बनी एक तटस्थ-परमाणु प्रणाली का उपयोग कई-निकाय प्रणालियों के क्वांटम व्यवहार का अनुकरण और निरीक्षण करने के लिए किया जा सकता है, और इस वर्ष की शुरुआत में टीम ने 289-क्विबिट का उपयोग किया था। करने के लिए संस्करण क्वांटम लाभ के लिए एक मार्ग प्रदर्शित करें एनालॉग क्वांटम एल्गोरिदम के एक विशिष्ट वर्ग के लिए।

मैल्कम कहते हैं, "स्ट्रेथक्लाइड विश्वविद्यालय के साथ हमने जो प्रणाली विकसित की है, वह दुनिया के सर्वश्रेष्ठ तटस्थ-परमाणु क्वांटम कंप्यूटरों के साथ प्रतिस्पर्धी है।" "अब हम उन एल्गोरिदम में से कुछ को हार्डवेयर पर रखना चाहते हैं जिसे हमने प्रदर्शित किया है और यह देखने के लिए साझेदारी स्थापित की है कि यह वास्तविक दुनिया की चुनौतियों के लिए मूल्य प्रदान कर सकता है।"

काशेफी और एनक्यूसीसी के लिए मजबूत बेंचमार्किंग और सर्टिफिकेशन प्रोटोकॉल की एक और महत्वपूर्ण प्राथमिकता है। अपने स्वयं के अनुसंधान कार्यक्रम के भीतर काशेफी ने सत्यापन और परीक्षण के लिए उपकरणों के विकास पर ध्यान केंद्रित किया है, जो उनका मानना ​​है कि सबसे आशाजनक प्रौद्योगिकियों के विकास को तेजी से ट्रैक करने में मदद करेगा।

"जब अलग-अलग डिवाइस उभर कर सामने आते हैं तो हमें यह जानने की जरूरत है कि उनका मूल्यांकन कैसे किया जाए और उनके प्रदर्शन की तुलना अन्य प्लेटफॉर्म से कैसे की जाए," वह कहती हैं। "एक विश्वसनीय परीक्षण ढांचा महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया प्रदान करता है जो हमें एक नए शासन में अधिक तेज़ी से संक्रमण करने की अनुमति देगा।"

2021 में NQCC ने कमीशन किया रिवरलेन, क्वांटम एल्गोरिदम और सॉफ्टवेयर के विशेषज्ञ, विभिन्न प्रकार के क्वांटम प्रोसेसर में प्रदर्शन तुलना को सक्षम करने के लिए एक बेंचमार्किंग सूट विकसित करने के लिए। नेशनल फिजिकल लेबोरेटरी के नेतृत्व में एक कंसोर्टियम भी क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए प्रमुख मेट्रिक्स की जांच कर रहा है, जिसका उद्देश्य अंतर्राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी विकास को कम करने के लिए खुले मानकों को विकसित करना है। काशेफी कहते हैं, "एनक्यूसीसी किसी विशेष हार्डवेयर समाधान को बढ़ावा देने की कोशिश नहीं कर रहा है, लेकिन विभिन्न प्लेटफार्मों को बेंचमार्क करने में सक्षम होना हमारे अपने विकास कार्यक्रम के साथ-साथ व्यापक पारिस्थितिक तंत्र को प्रोत्साहित करने के लिए वास्तव में उपयोगी होगा।"

इस तरह के बेंचमार्किंग से यह समझना भी संभव होगा कि क्लासिकल कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर पर क्वांटम समाधान कहां वास्तविक लाभ प्रदान करते हैं। "क्वांटम कंप्यूटिंग एक अद्भुत और क्रांतिकारी तकनीक है, लेकिन आखिरकार यह सिर्फ एक और कम्प्यूटेशनल टूल है" कशेफी जारी है। "उचित बेंचमार्किंग हमें यह समझने में सक्षम करेगी कि कौन से कार्य शास्त्रीय कंप्यूटर के लिए सबसे उपयुक्त हैं, और जिन्हें क्वांटम समाधान द्वारा बढ़ाया जा सकता है।"

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/