Az együttműködés katalizátorként szolgál a kvantumgyorsításhoz

A 2022-es fizikai Nobel-díj Alain Aspect, John Clauser és Anton Zeilinger úttörő kísérleteit ismerte el, amelyek először mutatták be a kvantumrendszerekben rejlő lehetőségeket az információfeldolgozásban. Néhány évtizeddel később a tudósok és mérnökök mind az iparban, mind az akadémiában ezekre az eredményekre építenek, hogy működő kvantumszámítógépeket hozzanak létre, amelyek lenyűgöző bepillantást nyújtanak a bennük rejlő lehetőségekre, amelyek számos alkalmazási területen képesek komplex problémák megoldására.

Bár az eddigi eredmények lenyűgözőek, sokkal több munkára van szükség olyan kvantumszámítógépek létrehozásához, amelyek képesek felülmúlni klasszikus társaikat. A mai kisméretű kvantumprocesszorok már a 100-1000 tartomány felé tolják a qubitek számát, de zajok és hibák befolyásolják őket, amelyek korlátozzák a számítási képességeiket. A technológia széleskörű kvantumelőny elérése érdekében történő bővítése tudományos találékonyságot és mérnöki know-how-t igényel számos különböző tudományterületen, valamint szoros együttműködést az akadémiai és a kereskedelmi szektor között.

Az Egyesült Királyságban ezt az együttműködést a Nemzeti Kvantumtechnológiai Program (NQTP), egy 1 milliárd font értékű kezdeményezés, amely 2014 óta támogatja a kvantumérzékelés, képalkotás, kommunikáció és számítástechnika technológiai központjait. „Gazdag ökoszisztémánk van, amely együtt dolgozik a kvantumszámítógépek felskálázásának ösztönzésén, hogy hasznos alkalmazásokat kínálhasson” – mondja Elham Kashefi, az Edinburghi Egyetem kvantumszámítástechnikai professzora és a párizsi Sorbonne Egyetem CNRS kutatási igazgatója.

Kashefit nemrég nevezték ki az Egyesült Királyság vezető tudósává Országos Kvantum Számítástechnikai Központ (NQCC), egy nemzeti létesítmény, amelyet 2020-ban indítottak el az NQTP zászlóshajójaként. Az NQCC célja, hogy felgyorsítsa a kvantumszámítástechnika megvalósítását az Egyesült Királyságban azáltal, hogy kutatócsoportokkal és a kereskedelmi szektorral együttműködve kezeli a méretezési kihívásokat.

„Az NQCC-ben betöltött szerepem része az lesz, hogy összehozzam az alkalmazásfejlesztőket és a végfelhasználókat, hogy előmozdítsák a hasznos eszközök fejlesztését” – mondja Kashefi. "Most abban a szakaszban vagyunk, ahol az algoritmusok követelményei befolyásolhatják a hardver kialakítását, lehetővé téve számunkra, hogy lezárjuk a rést a kívánt használati eset és a feltörekvő gép között."

A számítástechnikai háttérrel rendelkező Kashefi régóta szószólója a szoftverek és algoritmusok szerepének a kvantummegoldások fejlesztésében. Koordinálta a szoftverkutatási programot Quantum Computing and Simulation (QCS) központ, az NQTP által támogatott brit egyetemek konzorciuma, amely a kvantumszámítástechnika kritikus tudományos kihívásaira összpontosít. A központ számos start-up cég indulója volt, amelyek különböző hardver- és szoftvermegoldásokért küzdenek, és most az NQCC-vel együttműködve növeli az Egyesült Királyság kvantumszámítási ökoszisztémáját azáltal, hogy a kutatási erőket innovatív technológiákká alakítja át.

Új szerepének részeként Kashefi az NQCC-vel együttműködve egy Quantum Software Labot hoz létre az Edinburghi Egyetemen, amely alapvető kezdeményezés tovább bővíti az NQCC program nemzeti lábnyomát. „A skálázhatósági kihívás, amellyel a fizikai qubitekkel most szembesülünk, olyan probléma, amelynek megoldásában a számítástechnika és az alkalmazásszoftverek segíthetnek” – mondja. „Optimalizálhatjuk a qubitekkel szemben támasztott követelményeket azáltal, hogy együtt fejlesztjük a szoftvert és a vezérlőrendszereket, hogy megfeleljenek az alkalmazás igényeinek.”

Az ilyen együttfejlesztéshez olyan multidiszciplináris megközelítésre van szükség, amely ötvözi a kvantumhardverrel és az információfeldolgozással kapcsolatos ismereteket olyan matematikusok és informatikusok szakértelmével, akik értik, hogyan kell kezelni az összetett számítási problémákat.

„A klasszikus számítástechnikában szerzett tudásunkkal való kapcsolat lehetővé teszi számunkra a rendszerarchitektúrák és vezérlőrendszerek, valamint a hibacsökkentési és -javítási protokollok optimalizálását, hogy a legjobb eredményt érjük el a hardverplatformokon” – mondja Kashefi. "Például, a nagy teljesítményű számítástechnikában dolgozó emberek sok időt töltöttek azzal, hogy kitalálják, hogyan oldják meg az optimalizálási problémákat, és az ő hozzájárulásuk segít felgyorsítani a számítási előnyt biztosító kvantummegoldások fejlesztését."

Az egyik ígéretes út a hibrid megközelítések kifejlesztése, amelyek ötvözik a feltörekvő kvantumeszközöket a klasszikus számítástechnikai infrastruktúrával. Például az NQCC partner a QuPharma együttműködés, egy 6.8 millió GBP értékű projekt, amelynek célja, hogy radikálisan lerövidítse a gyógyszerek felfedezéséhez szükséges molekuláris szimulációk futtatásához szükséges időt.

Hardverfejlesztő vezetésével SEEQC UK és a német Merck KgaA gyógyszeripari óriásvállalat bevonásával a projekt célja, hogy a SEEQC kvantumprocesszorát egy klasszikus szuperszámítógéppel kombinálják, hogy hatékonyabb platformot hozzanak létre a gyógyszertervezés számára. „Meg kell értenünk az ipar fájdalmas pontjait, hogy azokat olyan kutatási problémákká alakíthassuk, amelyeket a kvantumszámítással megoldhat” – mutat rá Kashefi.

Az ilyen együttműködési projektek az Egyesült Királyság akadémiai szektorának tudományos szakértelmére támaszkodnak, amely világszínvonalú kvantumelmélet, szoftver és algoritmus kutatást, valamint az összes vezető qubit architektúrát vizsgáló kísérleti munkát táplált.

„Mint olyan ember, aki az alkalmazásokra és az ellenőrzésre összpontosít, nagy öröm számomra, hogy hozzáférhetek a qubit platformokhoz, a szupravezető áramköröktől és a csapdába esett ionoktól a fotonikáig és a szilícium alapú eszközökig” – mondja Kashefi. "Amikor írjuk a kódot, tisztában kell lennünk az egyes qubit platformok képességeivel és korlátaival, mivel egyes alkalmazások jobban megfelelnek az adott hardvermegoldás által kínált zajmodellnek vagy csatlakozási lehetőségnek."

A feltörekvő kvantumipar is profitál az Egyesült Királyságon belüli tudományos bázis erejéből, mivel számos kvantum induló vállalkozás szoros kapcsolatot tart fenn korábbi kutatócsoportjaival a technológia fejlesztése és fejlesztési programjaik felgyorsítása érdekében.

„Az akadémiai szektor ötletgyárként működik” – mondja David Lucas, a QCS Hub vezető kutatója és az Oxfordi Egyetem csapdába ejtett kvantumszámítási csoportjának társvezetője. "A technológia bővítése olyan mérnöki kihívás, amely túlmutat egyetlen egyetemi kutatórészleg képességein." Valójában az NQCC egyik kulcsfontosságú szerepe az infrastruktúra biztosítása és az együttműködés elősegítése, amelyre ezeknek a mérnöki kihívásoknak a megoldásához szükség lesz.

Az ipar és az akadémia közötti szinergia különösen hatékony volt a Maxwell platform kifejlesztésében, amely egy kereskedelmileg semleges atomokból álló kvantumszámítási rendszer, amelyet a kutatók demonstráltak. M Négyzet, a fotonika és a kvantumtechnológiák fejlesztője, az Egyesült Királyságban Nemzeti kvantumtechnológiák bemutatója 2022 novemberében. A rendszer jelenlegi verziója 100 qubitet támogat, és az M Squared vezérigazgatója, Graeme Malcolm szerint egyértelmű az út a technológia 400 qubitre és még tovább skálázására.

„A Maxwell létrehozásához stratégiai partnerséget alakítottunk ki a Strathclyde-i Egyetemmel, amely hozzáférést biztosított vállalatunk számára a világszínvonalú, áttörést jelentő fizikához” – mondja Malcolm. „Nagyszerű volt, hogy egy ilyen erős egyetemi tanszék közvetlenül a küszöbünkön áll, ahol szakértelemre támaszkodhatunk, miközben meg tudtuk hozni azt a mérnöki képességet, amely egy megbízható termék kifejlesztéséhez szükséges.”

A Maxwell semleges atomos qubit architektúrán alapul, amelyet Jonathan Pritchard és Strathclyde kutatócsoportja tökéletesített. A kísérleti platformot, amely az M Squared alapvető lézertechnológiájára támaszkodik az ultrahideg atomok energiaátmeneteinek manipulálására, az EPSRC Prosperity Partnership nevű EPSRC Prosperity Partnership keretében fejlesztették ki. Négyzet.

„Szorosan együttműködtünk az M Squared fotonikai mérnökeivel, hogy optimalizáljuk a lézerek teljesítményét, és bizonyos esetekben új eszközöket tervezzünk, amelyek a szükséges atomi folyamatokhoz igazodnak” – mondja Pritchard. Eközben a kereskedelmi rendszer kialakítását lehetővé tette a FELFEDEZÉS program, az M Squared által koordinált és az Innovate UK Quantum Technologies Challenge programja által támogatott, 10 millió GBP értékű projekt a kereskedelmi kvantumszámítástechnika technológiai akadályainak felszámolására.

Az együttműködés egyik következő lépése az lesz, hogy Andrew Daley-vel, a Strathclyde-i Egyetem kvantumszimulációs és számítástechnikai szakértőjével olyan kvantumalgoritmusokat dolgoznak ki, amelyek demonstrálják a platform képességeit. 2021-ben az amerikai Harvard Egyetem által vezetett kutatócsoport kimutatta, hogy egy 256 qubitből álló semleges atomrendszerrel szimulálható és megfigyelhető a soktestű rendszerek kvantum viselkedése, az év elején pedig a csapat egy 289 qubites rendszert használt. verzióhoz bemutatni a kvantumelőnyhöz vezető utat az analóg kvantumalgoritmusok egy meghatározott osztályához.

„A Strathclyde Egyetemmel közösen kifejlesztett rendszer versenyképes a világ legjobb semleges atomos kvantumszámítógépeivel” – mondja Malcolm. „Most szeretnénk ezen algoritmusok egy részét a bemutatott hardverre helyezni, és partnerségeket akarunk létrehozni, hogy meglássuk, hol kínálhat értéket a valós kihívásokhoz.”

A robusztus benchmarking és tanúsítási protokollok bevezetésének szükségessége egy másik fontos prioritás a Kashefi és az NQCC számára. Kashefi saját kutatási programjában az ellenőrzési és tesztelési eszközök fejlesztésére összpontosított, amelyekről úgy gondolja, hogy elősegítik a legígéretesebb technológiák fejlesztésének felgyorsítását.

„Amikor különböző eszközök jelennek meg, tudnunk kell, hogyan értékeljük őket, és hogyan hasonlítsuk össze teljesítményüket más platformokkal” – mondja. "Egy megbízható tesztelési keretrendszer döntő visszajelzést ad, amely lehetővé teszi számunkra, hogy gyorsabban váltsunk át egy új rendszerre."

2021-ben az NQCC üzembe helyezte Riverlane, a kvantumalgoritmusok és -szoftverek specialistája, hogy egy benchmarking csomagot fejlesszenek ki, amely lehetővé teszi a különböző típusú kvantumprocesszorok teljesítményének összehasonlítását. A Nemzeti Fizikai Laboratórium által vezetett konzorcium a kvantumszámítástechnika kulcsfontosságú mérőszámait is vizsgálja, azzal a céllal, hogy nyílt szabványokat dolgozzon ki a nemzetközi technológiai fejlesztés alátámasztására. „Az NQCC nem próbál semmilyen konkrét hardvermegoldást előmozdítani, de a különböző platformok összehasonlítása nagyon hasznos lesz saját fejlesztési programunk, valamint a tágabb ökoszisztéma ösztönzésében” – mondja Kashefi.

Az ilyen benchmarking azt is lehetővé teszi, hogy megértsük, hol kínálnak valódi előnyt a kvantummegoldások a klasszikus számítástechnikai architektúrákkal szemben. „A kvantumszámítás csodálatos és forradalmi technológia, de végső soron csak egy újabb számítási eszköz” – folytatja Kashefi. „A megfelelő benchmarking lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük, mely feladatok felelnek meg a legjobban egy klasszikus számítógépnek, és melyeket javíthatunk kvantummegoldással.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/