Kolaborasi memberikan katalis untuk percepatan kuantum

Penghargaan Nobel Fisika tahun 2022 mengakui eksperimen perintis oleh Alain Aspect, John Clauser, dan Anton Zeilinger yang untuk pertama kalinya mendemonstrasikan potensi sistem kuantum untuk memproses informasi. Beberapa dekade kemudian, para ilmuwan dan insinyur di industri dan akademisi membangun pencapaian ini untuk menciptakan komputer kuantum yang berfungsi yang menawarkan sekilas potensi mereka yang menggiurkan untuk mengatasi masalah kompleks di berbagai aplikasi.

Meskipun kemajuan hingga saat ini sangat mengesankan, masih banyak pekerjaan yang diperlukan untuk membuat komputer kuantum yang dapat mengungguli komputer klasiknya. Prosesor kuantum skala kecil saat ini mendorong jumlah qubit menuju kisaran 100–1000, tetapi dipengaruhi oleh gangguan dan kesalahan yang membatasi kemampuan komputasinya. Meningkatkan teknologi untuk mencapai keuntungan kuantum yang luas akan membutuhkan kecerdikan ilmiah dan pengetahuan teknik di berbagai disiplin ilmu, serta kerja sama yang erat antara sektor akademik dan komersial.

Di Inggris, kolaborasi tersebut didorong melalui Program Teknologi Quantum Nasional (NQTP), inisiatif senilai £1 miliar yang sejak 2014 telah mendukung hub teknologi dalam penginderaan kuantum, pencitraan, komunikasi, dan komputasi. “Kami memiliki ekosistem yang kaya yang bekerja sama untuk mendorong peningkatan komputer kuantum guna menghadirkan aplikasi yang bermanfaat,” kata Elham Kashefi, profesor komputasi kuantum di Universitas Edinburgh dan direktur penelitian CNRS di Universitas Sorbonne di Paris.

Kashefi baru saja ditunjuk sebagai Chief Scientist dari Inggris Pusat Komputasi Kuantum Nasional (NQCC), sebuah fasilitas nasional yang diluncurkan pada tahun 2020 sebagai program unggulan NQTP. NQCC bertujuan untuk mempercepat pengiriman komputasi kuantum di Inggris dengan bermitra dengan kelompok penelitian dan sektor komersial untuk mengatasi tantangan penskalaan.

“Bagian dari peran saya dengan NQCC adalah menyatukan pengembang aplikasi dan pengguna akhir untuk mendorong pengembangan perangkat yang bermanfaat,” kata Kashefi. “Kami sekarang berada pada tahap di mana persyaratan algoritme dapat memengaruhi desain perangkat keras, memungkinkan kami menutup celah antara kasus penggunaan yang diinginkan dan mesin yang muncul.”

Dengan latar belakang ilmu komputer, Kashefi telah lama mendukung peran perangkat lunak dan algoritme dalam mengembangkan solusi kuantum. Dia mengoordinasikan program penelitian perangkat lunak di dalam Komputasi Kuantum dan Simulasi (QCS) Hub, sebuah konsorsium universitas Inggris yang didukung oleh NQTP yang berfokus pada tantangan ilmiah kritis untuk komputasi kuantum. Hub tersebut telah menjadi landasan peluncuran bagi sejumlah perusahaan pemula yang memperjuangkan berbagai solusi perangkat keras dan perangkat lunak, dan sekarang bekerja sama dengan NQCC untuk menumbuhkan ekosistem komputasi kuantum Inggris dengan menerjemahkan kekuatan penelitian menjadi teknologi inovatif.

Sebagai bagian dari peran barunya, Kashefi akan bekerja sama dengan NQCC untuk mendirikan Quantum Software Lab di University of Edinburgh, sebuah inisiatif inti yang selanjutnya akan memperluas jejak nasional program NQCC. “Tantangan skalabilitas yang sekarang kita hadapi dengan qubit fisik adalah masalah yang dapat dipecahkan oleh ilmu komputer dan perangkat lunak aplikasi,” katanya. “Kami dapat mengoptimalkan persyaratan qubit dengan mengembangkan bersama perangkat lunak dan sistem kontrol untuk memenuhi kebutuhan aplikasi.”

Pengembangan bersama semacam itu menuntut pendekatan multidisiplin yang menggabungkan pengetahuan perangkat keras kuantum dan pemrosesan informasi dengan keahlian matematikawan dan ilmuwan komputer yang memahami cara mengatasi masalah komputasi yang rumit.

“Terhubung dengan kekayaan pengetahuan yang kami miliki dalam ilmu komputer klasik akan memungkinkan kami mengoptimalkan arsitektur sistem dan sistem kontrol, serta protokol untuk mitigasi dan koreksi kesalahan, untuk mendapatkan hasil terbaik dari platform perangkat keras,” kata Kashefi. “Sebagai contoh, orang yang bekerja dalam komputasi berkinerja tinggi telah menghabiskan banyak waktu untuk mencari tahu cara memecahkan masalah pengoptimalan, dan masukan mereka akan membantu mempercepat pengembangan solusi kuantum yang memberikan keunggulan komputasi.”

Salah satu jalan yang menjanjikan adalah pengembangan pendekatan hibrid yang menggabungkan perangkat kuantum yang muncul dengan infrastruktur komputasi klasik. Sebagai contoh, NQCC adalah mitra dalam Kolaborasi QuPharma, sebuah proyek senilai £6.8 juta yang bertujuan untuk secara radikal mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk menjalankan simulasi molekuler untuk penemuan obat.

Dipimpin oleh pengembang perangkat keras SEEQC Inggris dan melibatkan raksasa farmasi Jerman Merck KgaA, proyek ini bertujuan untuk menggabungkan prosesor kuantum SEEQC dengan superkomputer klasik untuk menciptakan platform yang lebih kuat untuk desain obat. “Kita perlu memahami kelemahan dalam industri untuk memungkinkan kita menerjemahkannya ke dalam masalah penelitian yang mungkin dapat diselesaikan oleh komputasi kuantum,” kata Kashefi.

Proyek kolaboratif semacam itu memanfaatkan keahlian ilmiah yang tersimpan dalam sektor akademik Inggris, yang telah memupuk penelitian kelas dunia dalam teori kuantum, perangkat lunak, dan algoritme serta pekerjaan eksperimental yang menyelidiki semua arsitektur qubit terkemuka.

“Sebagai seseorang yang berfokus pada aplikasi dan verifikasi, saya sangat senang memiliki akses ke platform qubit mulai dari sirkuit superkonduktor dan ion yang terperangkap hingga perangkat berbasis fotonik dan silikon,” kata Kashefi. “Saat kami menulis kode, kami perlu mengetahui kemampuan dan keterbatasan setiap platform qubit, karena beberapa aplikasi mungkin lebih cocok dengan model noise atau konektivitas yang ditawarkan oleh solusi perangkat keras tertentu.”

Industri kuantum yang muncul juga mendapat manfaat dari kekuatan basis sains di Inggris, dengan banyak perusahaan rintisan kuantum mempertahankan hubungan dekat dengan kelompok penelitian sebelumnya untuk memajukan teknologi dan mempercepat program pengembangan mereka.

“Sektor akademik bertindak sebagai pabrik ide,” kata David Lucas, penyelidik utama QCS Hub dan salah satu pemimpin grup komputasi kuantum ion-terperangkap di Universitas Oxford. “Meningkatkan teknologi adalah tantangan teknik yang melampaui kemampuan departemen penelitian universitas tunggal.” Memang, salah satu peran kunci NQCC adalah menyediakan infrastruktur dan memfasilitasi kolaborasi yang diperlukan untuk mengatasi tantangan teknik ini.

Sinergi antara industri dan akademisi telah sangat efektif dalam pengembangan platform Maxwell, sistem komputasi kuantum atom netral komersial yang ditunjukkan oleh M Kuadrat, pengembang teknologi fotonik dan kuantum, di Inggris Pameran Teknologi Quantum Nasional pada November 2022. Versi sistem saat ini dapat mendukung 100 qubit, dan CEO M Squared Graeme Malcolm mengatakan ada rute yang jelas untuk meningkatkan teknologi menjadi 400 qubit dan seterusnya.

“Untuk menciptakan Maxwell, kami membentuk kemitraan strategis dengan University of Strathclyde, yang telah memberi perusahaan kami akses ke fisika terobosan kelas dunia,” kata Malcolm. “Sungguh luar biasa memiliki departemen universitas yang kuat tepat di depan pintu kami sehingga kami dapat bersandar pada keahlian spesialis, sementara kami mampu menghadirkan kemampuan teknik yang diperlukan untuk mengembangkan produk yang andal.”

Maxwell didasarkan pada arsitektur qubit atom netral yang disempurnakan oleh Jonathan Pritchard dan tim risetnya di Strathclyde. Platform eksperimental, yang mengandalkan teknologi laser inti M Squared untuk memanipulasi transisi energi dalam atom ultracold, dikembangkan melalui Kemitraan Kemakmuran EPSRC yang disebut Persegi.

“Kami bekerja sama dengan para insinyur fotonik di M Squared untuk mengoptimalkan kinerja laser, dan dalam beberapa kasus merancang perangkat baru yang disesuaikan dengan proses atom tertentu yang kami butuhkan,” kata Pritchard. Sementara itu, pengembangan sistem komersial dimungkinkan oleh PENEMUAN program, proyek senilai £10 juta yang dikoordinasikan oleh M Squared dan didukung oleh program Quantum Technologies Challenge dari Innovate UK untuk mengatasi hambatan teknologi dalam komputasi kuantum komersial.

Salah satu langkah selanjutnya untuk kolaborasi ini adalah bekerja sama dengan Andrew Daley, pakar simulasi dan komputasi kuantum di University of Strathclyde, untuk mengembangkan algoritme kuantum yang mendemonstrasikan kemampuan platform. Pada tahun 2021, sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Universitas Harvard di AS menunjukkan bahwa sistem atom netral yang terdiri dari 256 qubit dapat digunakan untuk mensimulasikan dan mengamati perilaku kuantum dari sistem banyak benda, dan awal tahun ini tim tersebut menggunakan 289-qubit. versi ke menunjukkan jalur menuju keunggulan kuantum untuk kelas tertentu dari algoritma kuantum analog.

“Sistem yang kami kembangkan dengan University of Strathclyde bersaing dengan komputer kuantum atom netral terbaik di dunia,” kata Malcolm. “Sekarang kami ingin menempatkan beberapa algoritme tersebut ke dalam perangkat keras yang telah kami demonstrasikan dan menjalin kemitraan untuk melihat di mana algoritme tersebut dapat menawarkan nilai untuk tantangan dunia nyata.”

Kebutuhan untuk menerapkan protokol pembandingan dan sertifikasi yang kuat adalah prioritas penting lainnya untuk Kashefi dan NQCC. Dalam program penelitiannya sendiri, Kashefi berfokus pada pengembangan alat untuk verifikasi dan pengujian, yang menurutnya akan membantu mempercepat pengembangan teknologi yang paling menjanjikan.

“Saat perangkat yang berbeda muncul, kami perlu mengetahui cara mengevaluasinya dan cara membandingkan kinerjanya dengan platform lain,” katanya. “Kerangka pengujian yang andal memberikan umpan balik penting yang akan memungkinkan kami untuk bertransisi lebih cepat ke rezim baru.”

Pada tahun 2021 NQCC ditugaskan jalan sungai, spesialis dalam algoritme dan perangkat lunak kuantum, untuk mengembangkan rangkaian pembandingan guna memungkinkan perbandingan kinerja di berbagai jenis prosesor kuantum. Sebuah konsorsium yang dipimpin oleh National Physical Laboratory juga sedang menyelidiki metrik kunci untuk komputasi kuantum, dengan tujuan mengembangkan standar terbuka untuk mendukung pengembangan teknologi internasional. “NQCC tidak mencoba mendorong solusi perangkat keras tertentu, tetapi kemampuan untuk membandingkan platform yang berbeda akan sangat berguna untuk merangsang program pengembangan kami sendiri serta ekosistem yang lebih luas,” kata Kashefi.

Pembandingan semacam itu juga akan memungkinkan untuk memahami di mana solusi kuantum menawarkan keunggulan asli dibandingkan arsitektur komputasi klasik. “Komputasi kuantum adalah teknologi yang luar biasa dan revolusioner, tetapi pada akhirnya itu hanyalah alat komputasi lainnya” lanjut Kashefi. “Pembandingan yang tepat akan memungkinkan kami memahami tugas mana yang paling cocok untuk komputer klasik, dan mana yang dapat ditingkatkan dengan solusi kuantum.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/