Toby Cubitt: mengapa algoritma akan mempercepat aplikasi komputer kuantum – Physics World

Komputer kuantum menunjukkan harapan besar karena mereka dapat, setidaknya secara prinsip, memecahkan masalah tertentu yang tidak dapat dipecahkan bahkan oleh superkomputer konvensional yang paling kuat sekalipun. Namun membangun bit kuantum, atau qubit – dan menghubungkannya untuk menciptakan komputer kuantum praktis – merupakan tantangan besar. Secara khusus, komputer kuantum sangat berisik, yang dengan cepat menimbulkan kesalahan dalam perhitungan kuantum.

Itulah sebabnya banyak peneliti mengembangkan algoritma kuantum cerdas yang dapat melakukan perhitungan berguna bahkan pada komputer kuantum yang kecil dan berisik saat ini. Salah satu perusahaan yang berkontribusi terhadap upaya itu adalah Pesawat fase, yang merupakan pemisahan dari University College London dan University of Bristol pada tahun 2019. Fisikawan Toby Cubitt, salah satu pendiri dan chief technology officer di Phasecraft, berbicara dengan Hamish Johnston tentang bagaimana aplikasi di dunia nyata bisa segera hadir.

Mengapa Anda pertama kali menyiapkan Phasecraft?

Kami mendirikan Phasecraft karena komputasi kuantum telah mencapai titik di mana perangkat keras komputasi kuantum tidak lagi sekadar sistem mainan, namun mendorong batas-batas yang dapat dilakukan pada komputer konvensional. Kami ingin mencoba mengembangkan algoritme yang diperlukan untuk memanfaatkan perangkat keras tahap awal tersebut dan mewujudkan aplikasi kuantum. Ini merupakan tantangan besar secara ilmiah, namun menarik untuk dilibatkan.

Seberapa besar perusahaannya saat ini?

Saat ini sudah sekitar 20 staf penuh waktu, sekitar sepertiganya memiliki latar belakang komputasi kuantum atau teori informasi kuantum, sepertiga di bidang ilmu material, materi terkondensasi dan kimia, dan sepertiga di bidang komputasi. Mereka semua memiliki pengetahuan tentang komputasi kuantum, namun mereka juga sangat, sangat baik dalam – dan suka – memprogram hal-hal ini, mengimplementasikannya, dan membuatnya bekerja pada perangkat keras.

Kami mensponsori mahasiswa PhD yang berada di tempat-tempat seperti University College London dan University of Bristol tetapi bekerja langsung di kantor perusahaan. Kami juga memiliki banyak pekerja magang – baik mahasiswa sarjana maupun PhD. Kami sangat fokus pada penelitian dan pengembangan saat ini. Namun seiring dengan hadirnya aplikasi yang berguna secara online, saya berharap segala sesuatunya menjadi lebih bersifat komersial.

Apakah menurut Anda perangkat lunak kuantum telah diabaikan demi semua sensasi dan kegembiraan dalam mengembangkan qubit dan teknologi prosesor baru?

Perangkat keras sangatlah penting dan patut mendapat perhatian, serta melibatkan beberapa ilmu fisika, ilmu material, dan teknik yang menarik. Namun bagi kami di bidang perangkat lunak, yang terpenting adalah menghasilkan ide-ide matematika yang cerdas untuk membuat algoritme lebih efisien dan berfungsi pada perangkat kuantum skala kecil tahap awal saat ini. Faktanya, kita lebih mungkin mencapai kemajuan melalui algoritma yang lebih baik dibandingkan dengan menunggu perbaikan pada perangkat keras.

Bahkan jika perangkat keras kuantum tumbuh secara eksponensial, mungkin diperlukan waktu satu dekade sebelum Anda dapat melakukan sesuatu yang berguna dengannya. Mengerjakan algoritme juga tidak memerlukan cryostat yang mahal, lemari es pengenceran, helium cair, atau chip – hanya sekelompok orang yang sangat cerdas yang berpikir secara mendalam, itulah yang kami miliki di Phasecraft. Beberapa tahun yang lalu, misalnya, kami mengembangkan algoritma untuk mensimulasikan dinamika waktu sistem kuantum yang sekitar enam kali lipat lebih baik dibandingkan algoritma dari Google dan Microsoft.

Prosesor kuantum berisik, yang berarti mereka dengan cepat kehilangan koherensi dan membuat penghitungan menjadi tidak mungkin. Bagaimana Anda mengembangkan algoritma praktis untuk dijalankan pada perangkat yang tidak sempurna?

Kebisingan dan kesalahan adalah kutukan bagi semua aplikasi kuantum pada perangkat keras nyata. Ada beberapa peningkatan luar biasa pada perangkat keras, namun kita tidak dapat berasumsi bahwa komputer kuantum sempurna, seperti halnya perangkat klasik. Jadi dengan semua yang kita lakukan di Phasecraft, kita harus berpikir dalam kerangka komputer kuantum yang tidak sempurna dan berisik serta memiliki kesalahan. Jalankan komputasi apa pun dan kesalahan akan menumpuk begitu cepat sehingga Anda hanya mendapatkan gangguan – data acak – dan Anda kehilangan semua informasi kuantum.

Untuk mengatasi masalah ini, sangat penting untuk membuat algoritma seefisien mungkin dan membuatnya kurang sensitif atau rentan terhadap noise. Memang benar bahwa pada tahun 1990an Peter Shoro mengembangkan konsep koreksi kesalahan kuantum dan teorema ambang batas toleransi kesalahan, yang menunjukkan, secara teoritis, bahwa bahkan pada komputer kuantum yang berisik, Anda dapat menjalankan penghitungan komputasi kuantum yang panjang dan sewenang-wenang. Namun hal ini membutuhkan qubit dalam jumlah besar sehingga kami tidak dapat mengandalkan ini sebagai solusi.

Oleh karena itu, fokus kami lebih pada masalah teknis, di mana kami mencoba memahami seperti apa kebisingan secara detail. Semakin baik kita memahami kebisingan, semakin kita dapat merancang lingkungan sekitar sehingga tidak memengaruhi hasil akhir. Namun ada keuntungan besar karena jika Anda dapat membuat algoritme menjadi tidak terlalu rumit, Anda bisa mendapatkan sesuatu yang berguna dari komputer kuantum yang berisik ini. Ini adalah pertanyaan tentang merancang algoritme sehingga kita dapat memaksimalkannya.

Saya sering mengatakan bahwa komputer kuantum saat ini sama dengan komputer klasik pada tahun 1950an. Saat itu, orang-orang menyukainya Alan Turing datang dengan ide-ide yang sangat cerdas tentang bagaimana memanfaatkan perangkat keras primitif yang kikuk dan benar-benar melakukan hal-hal luar biasa dengannya. Itulah tahap yang kita hadapi dalam komputasi kuantum. Faktanya, algoritme tertentu terkadang lebih cocok untuk satu jenis perangkat keras dibandingkan jenis perangkat keras lainnya.

Dari segi perangkat keras, jenis qubit apa yang Anda gunakan saat ini?

Di Phasecraft kami tertarik pada semua jenis perangkat keras. Namun, sebagian besar kami menggunakan sirkuit qubit superkonduktor, karena itulah platform perangkat keras terdepan saat ini. Namun kami juga menjalankan perangkap ion pada perangkat keras atom dingin dan kami juga memikirkan tentang perangkat keras fotonik. Namun kami tidak terikat pada satu platform tertentu.

Fokus Phasecraft adalah pada algoritma yang menghitung sifat material. Mengapa aplikasi tersebut sangat cocok untuk komputer kuantum awal saat ini?

Dalam industri, banyak perusahaan menghabiskan banyak waktu dan uang menggunakan komputer klasik berperforma tinggi untuk mengetahui sifat-sifat material. Masalahnya, ini sangat intensif secara komputasi sehingga mereka akhirnya mencoba menyederhanakan masalahnya. Namun bahayanya adalah Anda bisa melakukan kesalahan total. Misalnya, Anda mungkin memperkirakan suatu bahan adalah isolator padahal sebenarnya itu adalah konduktor. Terkadang bisa mencapai tingkat kesalahan seperti itu.

Di Phasecraft, kami berfokus pada pemodelan dan simulasi material karena aplikasi tersebut berada dalam jangkauan terdekat dari perangkat keras saat ini. Aplikasi lain, seperti pengoptimalan, lebih menuntut dalam hal jumlah qubit dan gerbang yang Anda perlukan. Seiring dengan peningkatan perangkat keras, simulasi kimia kuantum akan berada dalam jangkauan kita. Bahan ini lebih sulit untuk disimulasikan dibandingkan bahan kristalin periodik karena kompleksitas algoritma dalam sistem molekul berskala jumlah orbital elektron hingga pangkat empat.

Bisakah Anda memberi kami gambaran tentang beberapa materi tertentu yang telah Anda lihat?

Saat ini, perangkat kerasnya belum cukup besar untuk mampu melakukan simulasi material nyata melebihi apa yang bisa dilakukan secara klasik. Jadi kami masih berada pada tahap di mana kami memiliki algoritmanya, namun kami belum memiliki perangkat keras yang cukup untuk menjalankannya, meskipun tahap ini sudah semakin dekat. Meskipun demikian, jenis material yang menjadi target yang baik untuk penerapan komputasi kuantum tahap awal adalah material yang berhubungan dengan energi ramah lingkungan – material baterai, seperti oksida logam.

Algoritme klasik juga tidak berfungsi dengan baik karena melibatkan hal tersebut berkorelasi kuat elektron. Hal yang sama berlaku untuk fotovoltaik. Faktanya, kita punya kolaborasi dengan Oxford PV, yang sedang bekerja dengan fotovoltaik perovskit, di mana kita kembali melihat sistem elektron yang berkorelasi kuat. Hal ini melibatkan simulasi dinamis seperti kecepatan penggabungan kembali pasangan lubang partikel untuk memancarkan cahaya.

Kami juga telah memeriksa strontium vanadate, yang kebetulan memiliki struktur pita yang bagus sehingga dapat ditampung di komputer kuantum yang lebih kecil dibandingkan material tertentu lainnya. Ini bukan yang terkecil, tetapi ini adalah sistem oksida logam yang menarik dan membutuhkan lebih sedikit qubit dan gerbang dibandingkan oksida logam lainnya.

Menurut Anda kapan Phasecraft akan mencapai titik “keunggulan kuantum” di mana algoritme Anda dapat berjalan pada prosesor kuantum dan dapat menghitung hal-hal yang tidak dapat dilakukan oleh superkomputer?

Itu adalah pertanyaan jutaan dolar. Faktanya, ini mungkin pertanyaan bernilai miliaran dolar. Industri kuantum perlu mencapai titik di mana mereka tidak hanya mendemonstrasikan masalah mainan tetapi juga memecahkan masalah dunia nyata pada komputer kuantum.

Saya harap saya tidak terdengar seperti orang yang seperti itu konon pernah berkata hanya ada kebutuhan akan tiga komputer di dunia, tapi menurut saya kita mungkin bisa mencapainya dalam dua atau tiga tahun ke depan. Pertanyaan-pertanyaan awal tersebut mungkin lebih berkaitan dengan kepentingan ilmiah dibandingkan kepentingan industri – industri mungkin tidak lebih dari itu. Ini tidak akan berarti mematikan klaster komputasi kinerja tinggi (HPC) dalam semalam dan langsung beralih ke komputer kuantum. Kemungkinan besar hal ini merupakan proses bertahap di mana semakin banyak hal berguna yang bisa dilakukan secara online. Begitulah cara sains bekerja: Anda membuat kemajuan, Anda menemui hambatan, dan kemudian membuat lebih banyak kemajuan. Ini cenderung meningkat.

Kemajuan bergantung pada kerja keras tim besar ilmuwan yang bekerja dengan tekun selama bertahun-tahun. Itulah yang terjadi dalam komputasi kuantum, dan aplikasi pertama mungkin tidak menjadi berita utama

Ketika media yang lebih luas memberitakan tentang komputer kuantum, mereka cenderung berasumsi bahwa terobosan besar muncul begitu saja. Tapi ternyata tidak. Kemajuan bergantung pada kerja keras tim besar ilmuwan yang bekerja dengan tekun selama bertahun-tahun. Itulah yang terjadi dalam komputasi kuantum, dan aplikasi pertama mungkin tidak menjadi berita utama. Namun para ilmuwan akan menyadari ketika kita telah melewati ambang batas di mana Anda dapat melakukan hal-hal yang tidak mungkin dilakukan dengan komputer konvensional. Kami tidak jauh.

Phasecraft baru-baru ini menerima £13 juta dana swasta. Apa rencana Anda dengan uang tunai itu?

Untuk perusahaan algoritme kuantum seperti kami, sebagian besar pendanaan digunakan untuk membayar gaji masyarakat. Staf kami adalah kuncinya – aset kami yang paling berharga adalah tim kami. Bagi perusahaan perangkat keras, hal ini sangat berbeda, karena perangkat keras itu mahal. Namun kami membutuhkan orang-orang yang berpikir dan membuat kode sehingga uang dapat membuat kami terus memperluas tim kami.

Kami selalu mempunyai lebih banyak ide dibandingkan sumber daya yang kami miliki dan, seiring dengan semakin dekatnya penerapan komputasi besar pada komputer kuantum, kami akan memperluas tim. Masih perlu waktu beberapa tahun sebelum kita bisa memiliki aplikasi yang relevan secara komersial, namun ketika hal itu terjadi, kita akan melalui titik perubahan dan keseluruhan industri akan berubah. Kami selalu tertarik untuk berbicara dengan orang-orang pintar yang bersemangat menggunakan mekanika kuantum untuk penerapan di dunia nyata.

Jadi bagaimana perusahaan akan berkembang?

Yang diperlukan hanyalah satu ide menakjubkan dan luar biasa yang dapat mengubah seluruh industri kuantum. Kami ingin memastikan bahwa kami memberikan ruang kepada tim riset kami untuk melakukan pemikiran yang dapat mengubah arah perusahaan. Tentu saja, tidak semua ide akan berhasil – ide ke-20 mungkin akan gagal, namun ide ke-21 akan menjadi sebuah arah baru yang signifikan yang tidak terpikirkan oleh orang lain. Itu sudah terjadi beberapa kali di Phasecraft. Seseorang mendapat inspirasi, dan kemudian arah baru terbuka.

Algoritme kuantum memanfaatkan perangkat keras yang berisik dengan cerdik

Kita berada pada saat yang sangat menarik dalam komputasi kuantum. Aku masih menjadi profesor di UCL, dan saya masih punya sebuah kelompok akademis ada, tapi menurut saya kedua sisi – baik yang diterapkan maupun yang teoritis – sama-sama menarik secara intelektual. Saya telah berteori tentang beberapa topik selama 20 tahun tetapi belum memiliki alat untuk mempraktikkannya. Tapi sekarang, saya bisa mengambil teori itu dan menjadikannya nyata. Daripada hanya menulis makalah, saya bisa menjalankan ide saya di perangkat keras.

Tentu saja, ini mungkin tidak berhasil sama sekali. Bisa saja alam semesta nyata berkata: “Tidak. Itu bukan ide yang bagus.” Namun hal ini masih bisa menjadi masalah yang sangat berguna dan menarik untuk diatasi. Oleh karena itu, sisi terapan dari penelitian ini – yang menerapkan ilmu fisika pada teknologi – menurut saya sama menarik dan menariknya dengan pemikiran akademis di langit biru.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/