Toby Cubitt: Miért gyorsítják fel az algoritmusok a kvantumszámítógépek alkalmazását – Physics World

A kvantumszámítógépek nagy ígéretet mutatnak, mert legalábbis elvileg meg tudnának oldani bizonyos problémákat, amelyeket még a legerősebb hagyományos szuperszámítógépek sem tudnak feltörni. De a kvantumbitek vagy qubitek létrehozása – és összekapcsolása praktikus kvantumszámítógépek létrehozásával – óriási kihívás. Különösen a kvantumszámítógépek hihetetlenül zajosak, ami gyorsan hibákat vezet be a kvantumszámításokba.

Ezért sok kutató fejleszt okos kvantum algoritmusokat, amelyek még a mai kicsi, zajos kvantumszámítógépeken is hasznos számításokat végezhetnek. Az egyik vállalat hozzájárul ehhez az erőfeszítéshez PhasecraftA fizikus Toby Cubitt, a Phasecraft társalapítója és technológiai igazgatója, Hamish Johnstonnal arról beszél, hogy a valós alkalmazások miként jelenhetnek meg a sarkon.

Miért hoztad létre eredetileg a Phasecraftot?

A Phasecraftot azért alapítottuk, mert a kvantumszámítás elérte azt a pontot, ahol a kvantumszámítástechnikai hardver már nem csak játékrendszer, hanem a hagyományos számítógépeken megvalósítható dolgok határait feszegeti. Meg akartuk próbálni kifejleszteni azokat az algoritmusokat, amelyek a korai fázisú hardver használatához és a kvantumalkalmazások megvalósításához szükségesek. Ez tudományos szempontból óriási kihívás, de lenyűgöző, hogy részt vegyünk benne.

Mekkora a cég jelenleg?

Jelenleg van körülbelül 20 főállású alkalmazott, akiknek nagyjából egyharmada kvantumszámítási vagy kvantuminformáció-elméletből, harmaduk anyagtudományból, sűrített anyagból és kémiából, harmaduk pedig számítástechnikai háttérrel rendelkezik. Mindannyian ismerik a kvantumszámítást, de nagyon-nagyon jók – és szeretik – ezt a cuccot programozni, megvalósítani, és a hardveren dolgozni.

Olyan PhD hallgatókat támogatunk, akik olyan helyeken vannak, mint a University College London és a Bristol Egyetem, de közvetlenül itt dolgoznak a cég irodáiban. Sok gyakornokunk is van – egyetemisták és PhD hallgatók egyaránt. Jelenleg nagyon a kutatásra és fejlesztésre koncentrálunk. De ahogy a hasznos alkalmazások megjelennek az interneten, azt várom, hogy a dolgok sokkal kommerszebbek legyenek.

Azt mondanád, hogy a kvantumszoftvert figyelmen kívül hagyták az új qubitek és processzortechnológiák fejlesztésével járó hype és izgalom javára?

A hardver rendkívül fontos, és megérdemli a rájuk fordított figyelmet, beleértve a lenyűgöző fizikát, anyagtudományt és mérnöki tudományokat is. Számunkra azonban a szoftveres oldalon az a lényeg, hogy okos matematikai ötleteket találjunk ki az algoritmusok hatékonyabbá tételére és a mai korai fázisú, kisméretű kvantumeszközökön való működésre. Valójában nagyobb valószínűséggel jutunk előre jobb algoritmusok segítségével, mint a hardver fejlesztésére várva.

Még ha a kvantumhardver exponenciálisan növekedne is, akár egy évtizedbe is telhet, mire bármi hasznosat tehetsz vele. Az algoritmusokon való munkavégzéshez nincs szükség drága kriosztátokra, hígítóhűtőkre, folyékony héliumra vagy chipekre – csak egy csomó igazán okos ember, akik mélyen gondolkodnak, ami a Phasecraftnál van. Néhány évvel ezelőtt például olyan algoritmusokat fejlesztettünk ki a kvantumrendszerek idődinamikájának szimulálására, amelyek körülbelül hat nagyságrenddel jobbak voltak, mint a Google és a Microsoft algoritmusai.

A kvantumprocesszorok zajosak, ami azt jelenti, hogy gyorsan elveszítik a koherenciát, és lehetetlenné teszik a számításokat. Hogyan fejleszthet gyakorlati algoritmusokat a nem tökéletes eszközökön való futtatáshoz?

A zaj és a hibák a valódi hardveren végzett kvantumalkalmazások veszélyei. Hihetetlen fejlesztések történtek a hardver terén, de nem feltételezhetjük, hogy a kvantumszámítógépek tökéletesek, ahogyan azt a klasszikus eszközök esetében is megtehetjük. Tehát minden, amit a Phasecraftban csinálunk, tökéletlen, zajos kvantumszámítógépekre kell gondolnunk, amelyekben hibák vannak. Futtasson bármilyen számítást, és a hibák olyan gyorsan keletkeznek, hogy csak zajokat – véletlenszerű adatokat – kap ki, és elvesztette az összes kvantuminformációt.

A probléma megkerülése érdekében kritikus fontosságú, hogy az algoritmusokat a lehető leghatékonyabbá tegyük, és kevésbé érzékenyek legyenek a zajra. Igaz, hogy az 1990-es években Shor Péter kidolgozta a kvantum hibajavítás fogalmát és a hibatűrő küszöbtétel, ami elméletileg azt mutatja, hogy még zajos kvantumszámítógépeken is tetszőlegesen hosszú kvantumszámítási számításokat lehet futtatni. De ehhez akkora számú qubitre van szükség, hogy erre nem számíthatunk megoldásként.

Fókuszunk tehát inkább egy mérnöki jellegű probléma, ahol megpróbáljuk részletesen megérteni, hogyan néz ki a zaj. Minél jobban megértjük a zajt, annál többet tudunk körülötte tervezni, hogy ne befolyásolja az eredményt. De van egy nagy hozadéka, mert ha egy algoritmust kevésbé bonyolulttá tesz, akkor valami hasznosat is kihozhat ezekből a zajos kvantumszámítógépekből. Az algoritmusok tervezésének kérdése, hogy többet tudjunk kicsikarni belőlük.

Gyakran mondom, hogy a mai kvantumszámítógépek ott vannak, ahol a klasszikus számítógépek voltak az 1950-es években. Akkoriban az emberek szerették Alan Turing nagyon okos ötletekkel álltak elő, hogyan lehetne egy kicsit többet kihozni az esetlen primitív hardverből, és valóban hihetetlen dolgokat lehet vele csinálni. A kvantumszámításnak ebben a szakaszában vagyunk. Valójában bizonyos algoritmusok néha jobban megfelelnek az egyik hardvertípusnak, mint a másiknak.

Hardver szempontjából milyen típusú qubiteket használsz jelenleg?

A Phasecraftnál minden típusú hardver érdekel. Főleg azonban szupravezető qubit áramköröket használunk, mert ez a jelenlegi vezető hardverplatform. De ioncsapdákat futtatunk hidegatomos hardvereken is, és gondolkodunk a fotonikus hardvereken is. De nem vagyunk egy adott platformhoz kötve.

A Phasecraft az anyagok tulajdonságait kiszámító algoritmusokra összpontosít. Miért alkalmasak ezek az alkalmazások a mai korai kvantumszámítógépekre?

Az iparban sok vállalat sok időt és pénzt költ klasszikus, nagy teljesítményű számítógépek használatával az anyagok tulajdonságainak meghatározására. Az a baj, hogy nagyon számításigényes, így a végén megpróbálják leegyszerűsíteni a problémát. De az a veszély, hogy teljesen elromolhatod a dolgokat. Például előfordulhat, hogy azt jósolhatja, hogy egy anyag szigetelő, pedig valójában vezető. Ez néha ilyen szintű hiba lehet.

A Phasecraftnál az anyagok modellezésére és szimulálására összpontosítunk, mivel ezek az alkalmazások a jelenlegi hardverhez a legközelebb vannak. Más alkalmazások, mint például az optimalizálás, nagyobb követelményeket támasztanak a szükséges qubitek és kapuk számát illetően. A hardver fejlődésével a kvantumkémiai szimulációk elérhetővé válnak. Nehezebb szimulálni őket, mint a periodikus, kristályos anyagokat, mivel a molekuláris rendszerek algoritmusainak összetettsége az elektronpályák számát négyes hatványra skálázza.

Adna nekünk ízelítőt néhány konkrét anyagból, amelyet megnézett?

Jelenleg a hardver még nem elég nagy ahhoz, hogy valódi anyagok szimulációit lehessen elvégezni a klasszikuson túl. Tehát még mindig abban a szakaszban tartunk, ahol megvannak az algoritmusok, de még nincs teljesen meg a hardverünk, amelyen futni lehetne, bár közeledik. Mindazonáltal azok az anyagok, amelyek jó célpontok a kvantumszámítás korai szakaszában, a tiszta energiával kapcsolatosak – akkumulátoros anyagok, például fémoxidok.

Előfordulnak olyanok is, ahol a klasszikus algoritmusok nem működnek túl jól, mert magukban foglalják erősen korrelált elektronok. Ugyanez vonatkozik a fotovoltaikára is. Valójában van egy együttműködés az Oxford PV-vel, amivel dolgozik perovszkit fotovoltaik, ahol ismét az erősen korrelált elektronrendszereket nézzük. Ez magában foglalja az olyan dolgok dinamikus szimulálását, mint a részecske-lyuk párok rekombinációjának sebessége, hogy fényt bocsátanak ki.

Megvizsgáltuk a stroncium-vanadátot is, amelynek történetesen szép sávszerkezete van, ami azt jelenti, hogy elfér egy kisebb kvantumszámítógépen, mint bizonyos más anyagok. Nem a legkisebb, de ez egy fém-oxid rendszer, amely érdekes, és kevesebb qubitre és kevesebb kapura van szüksége, mint más fémoxidoknak.

Mit gondol, mikor éri el a Phasecraft a „kvantumelőny” szintjét, ahol az algoritmusai futhatnak kvantumprocesszoron, és képesek olyan dolgokat is kiszámítani, amelyeket egy szuperszámítógép nem?

Ez a millió dolláros kérdés. Valójában ez valószínűleg a milliárd dolláros kérdés. A kvantumiparnak el kell jutnia arra a pontra, ahol nem csak játékproblémákat mutat be, hanem valós problémákat is megold kvantumszámítógépeken.

Remélem, nem hasonlítok arra a srácra, aki állítólag egyszer azt mondta a világon csak három számítógépre lenne szükség, de őszintén úgy gondolom, hogy a következő két-három évben eljuthatunk oda. Ezek a korai kérdések inkább tudományos, mint ipari érdeklődésre tarthatnak számot – az ipar talán egy kicsit túl van ezen a ponton. Nem arról lesz szó, hogy egyik napról a másikra kikapcsoljuk a nagy teljesítményű számítástechnikai (HPC) klasztereket, és áttérünk egy kvantumszámítógépre. Sokkal valószínűbb, hogy ez egy fokozatos folyamat, amelynek során egyre több hasznos dolog kerül az internetre. A tudomány így működik: haladsz, akadályba ütközöl, majd tovább haladsz. Hajlamos felpattanni.

A haladás a tudósok nagy csapatainak sok-sok kemény munkáján múlik, akik évek óta szorgalmasan dolgoznak. Ez történik a kvantumszámítástechnikában, és előfordulhat, hogy az első alkalmazások nem kerülnek a címlapokra

Amikor a szélesebb média tudósít a kvantumszámítógépekről, hajlamosak azt feltételezni, hogy a semmiből hatalmas áttörések születnek. De nem teszik. A haladás a tudósok nagy csapatainak sok-sok kemény munkáján múlik, akik évek óta szorgalmasan dolgoznak. Ez történik a kvantumszámítástechnikában, és lehet, hogy az első alkalmazások nem kerülnek a címlapokra. De a tudósok rájönnek majd, ha átlépjük azt a küszöböt, ahol olyan dolgokat lehet megtenni, amelyek a hagyományos számítógépekkel lehetetlenek. nem vagyunk messze.

A Phasecraft nemrég 13 millió fontot kapott magánfinanszírozásból. Mit tervezel ezzel a készpénzzel?

Egy olyan kvantumalgoritmusokkal foglalkozó cégnél, mint a miénk, a finanszírozás túlnyomó többsége az emberek fizetésére megy. Munkatársaink a legfontosabbak – legértékesebb kincsünk a csapatunk. Egy hardvercégnél ez egészen más, mert a hardver drága. De szükségünk van az emberekre, akik gondolkodnak és kódolnak, hogy a pénz lehetővé tegye csapatunk folyamatos bővítését.

Mindig több ötletünk van, mint amennyi erőforrásunk van a megvalósításhoz, és ahogy közeledünk a nagy számítások kvantumszámítógépeken való megvalósításához, bővíteni fogjuk a csapatot. Még mindig van néhány év, amíg kereskedelmileg releváns alkalmazásaink lesznek, de amikor ez megtörténik, egy inflexiós ponton megyünk keresztül, és az egész iparág megváltozik. Mindig szívesen beszélgetünk okos emberekkel, akik izgatottan várják a kvantummechanikát valós alkalmazásokhoz.

Tehát hogyan fog fejlődni a cég?

Csak egy csodálatos, kiemelkedő ötlet kell, amely teljesen megváltoztathatja az egész kvantumipart. Nagyon szeretnénk gondoskodni arról, hogy kutatócsoportunknak teret adjunk ahhoz, hogy olyan kék égboltot valósíthassanak meg, amely megváltoztathatja a vállalat arculatát. Persze nem minden ötlet fog működni – 20 elbukhat, de a 21. olyan jelentős új irányvonal lesz, amelyre senki más nem gondolt. Ez már párszor megtörtént a Phasecraftnál. Valaki ihletet kap, majd egy új irány nyílik meg.

A kvantum algoritmusok okosan használják ki a zajos hardvert

Rendkívül izgalmas időszakot élünk a kvantumszámítástechnikában. én vagyok még mindig az UCL professzora, és még mindig megvan egy akadémiai csoport ott van, de mindkét oldalt – alkalmazott és elméleti – egyformán érdekesnek találom intellektuálisan. Néhány témáról 20 évig elméletileg gondolkodtam, de nem volt semmilyen eszközöm a gyakorlatba való átültetéshez. Most azonban átvehetem ezt az elméletet és valóra válthatom. Ahelyett, hogy csak egy dolgozatot írnék, hardveren futtathatom az ötletemet.

Persze lehet, hogy egyáltalán nem működik. Kiderülhet, hogy a valódi univerzum azt mondja: „Nem. Ez nem jó ötlet.” De ez még mindig hihetetlenül hasznos és lenyűgöző probléma lehet, amelyet meg kell oldani. Így a kutatás alkalmazott oldalát – ezt a fizikát a technológiára alkalmazva – éppoly lenyűgözőnek és érdekesnek találom, mint a kék ég akadémikus gondolkodását.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/