La collaborazione fornisce un catalizzatore per l'accelerazione quantistica

Il Premio Nobel per la fisica 2022 ha riconosciuto gli esperimenti pionieristici di Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger che per la prima volta hanno dimostrato il potenziale dei sistemi quantistici per l'elaborazione delle informazioni. Diversi decenni dopo, scienziati e ingegneri sia dell'industria che del mondo accademico stanno basandosi su questi risultati per creare computer quantistici funzionanti che offrono uno sguardo allettante del loro potenziale per affrontare problemi complessi in una vasta gamma di applicazioni.

Sebbene i progressi fino ad oggi siano stati impressionanti, è necessario molto più lavoro per creare computer quantistici in grado di superare le loro controparti classiche. Gli odierni processori quantistici su piccola scala stanno ora spingendo il numero di qubit verso la gamma 100-1000, ma sono influenzati da rumore ed errori che limitano le loro capacità computazionali. Aumentare la tecnologia per ottenere un ampio vantaggio quantistico richiederà ingegnosità scientifica e know-how ingegneristico in molte discipline diverse, nonché una stretta collaborazione tra i settori accademico e commerciale.

Nel Regno Unito tale collaborazione è stata promossa attraverso il Programma nazionale per le tecnologie quantistiche (NQTP), un'iniziativa da 1 miliardo di sterline che dal 2014 ha supportato hub tecnologici nel rilevamento quantistico, nell'imaging, nelle comunicazioni e nell'informatica. "Abbiamo un ricco ecosistema che sta lavorando insieme per aumentare la scalabilità dei computer quantistici per fornire applicazioni utili", afferma Elham Kashefi, professore di informatica quantistica all'Università di Edimburgo e direttore della ricerca del CNRS all'Università della Sorbona di Parigi.

Kashefi è appena stato nominato capo scienziato del Regno Unito Centro nazionale di calcolo quantistico (NQCC), una struttura nazionale lanciata nel 2020 come programma di punta del NQTP. L'NQCC mira ad accelerare la fornitura del calcolo quantistico nel Regno Unito collaborando con gruppi di ricerca e il settore commerciale per affrontare le sfide di scalabilità.

"Parte del mio ruolo con NQCC sarà quello di riunire sviluppatori di applicazioni e utenti finali per portare avanti lo sviluppo di dispositivi utili", afferma Kashefi. "Ora siamo nella fase in cui i requisiti degli algoritmi possono influenzare la progettazione dell'hardware, permettendoci di colmare il divario tra il caso d'uso desiderato e la macchina emergente".

Con un background in informatica, Kashefi è da tempo un sostenitore del ruolo che il software e gli algoritmi possono svolgere nello sviluppo di soluzioni quantistiche. Ha coordinato il programma di ricerca sul software all'interno del Hub di Quantum Computing and Simulation (QCS)., un consorzio di università del Regno Unito supportato dall'NQTP che si concentra sulle sfide scientifiche critiche per il calcolo quantistico. L'hub è stato il trampolino di lancio per una serie di start-up che sostengono diverse soluzioni hardware e software e ora collabora con l'NQCC per far crescere l'ecosistema di calcolo quantistico del Regno Unito traducendo i punti di forza della ricerca in tecnologie innovative.

Come parte del suo nuovo ruolo, Kashefi lavorerà con l'NQCC per istituire un Quantum Software Lab presso l'Università di Edimburgo, un'iniziativa fondamentale che estenderà ulteriormente l'impronta nazionale del programma dell'NQCC. "La sfida di scalabilità che stiamo affrontando con i qubit fisici è un problema che l'informatica e il software applicativo possono aiutare a risolvere", afferma. "Possiamo ottimizzare i requisiti per i qubit sviluppando in collaborazione il software e i sistemi di controllo per soddisfare le esigenze dell'applicazione".

Tale co-sviluppo richiede un approccio multidisciplinare che combini la conoscenza dell'hardware quantistico e dell'elaborazione delle informazioni con l'esperienza di matematici e informatici che comprendono come affrontare problemi computazionali complessi.

"Il collegamento con la ricchezza di conoscenze che abbiamo nell'informatica classica ci consentirà di ottimizzare le architetture di sistema e i sistemi di controllo, nonché i protocolli per la mitigazione e la correzione degli errori, per ottenere il miglior risultato dalle piattaforme hardware", afferma Kashefi. "Ad esempio, le persone che lavorano nel calcolo ad alte prestazioni hanno dedicato molto tempo a capire come risolvere i problemi di ottimizzazione e il loro contributo contribuirà ad accelerare lo sviluppo di soluzioni quantistiche che offrono un vantaggio computazionale".

Una strada promettente è lo sviluppo di approcci ibridi che combinino dispositivi quantistici emergenti con l'infrastruttura informatica classica. Ad esempio, l'NQCC è partner di Collaborazione QuPharma, un progetto da 6.8 milioni di sterline che mira a ridurre radicalmente il tempo necessario per eseguire simulazioni molecolari per la scoperta di farmaci.

Guidato dallo sviluppatore hardware SEEQC Regno Unito e coinvolgendo il colosso farmaceutico tedesco Merck KgaA, il progetto mira a combinare il processore quantistico di SEEQC con un supercomputer classico per creare una piattaforma più potente per la progettazione di farmaci. "Dobbiamo comprendere i punti deboli nell'industria per consentirci di tradurli in problemi di ricerca che il calcolo quantistico potrebbe essere in grado di risolvere", sottolinea Kashefi.

Tali progetti collaborativi attingono all'esperienza scientifica del settore accademico del Regno Unito, che ha alimentato la ricerca di livello mondiale sulla teoria quantistica, il software e gli algoritmi, nonché il lavoro sperimentale che indaga su tutte le principali architetture di qubit.

"In quanto persona che si concentra su applicazioni e verifiche, sono stato entusiasta di avere accesso a piattaforme qubit che vanno dai circuiti superconduttori e ioni intrappolati fino alla fotonica e ai dispositivi basati sul silicio", afferma Kashefi. "Quando scriviamo il codice dobbiamo essere consapevoli delle capacità e dei limiti di ciascuna piattaforma qubit, poiché alcune applicazioni potrebbero essere più adatte al modello di rumore o alla connettività offerta da una particolare soluzione hardware".

L'industria quantistica emergente beneficia anche della forza della base scientifica nel Regno Unito, con molte start-up quantistiche che mantengono stretti legami con i loro precedenti gruppi di ricerca per far progredire la tecnologia e accelerare i loro programmi di sviluppo.

"Il settore accademico funge da fabbrica di idee", afferma David Lucas, il principale investigatore del QCS Hub e co-leader del gruppo di calcolo quantistico a ioni intrappolati presso l'Università di Oxford. "Il potenziamento della tecnologia è una sfida ingegneristica che va oltre le capacità di un singolo dipartimento di ricerca universitario". In effetti, un ruolo chiave per l'NQCC è quello di fornire l'infrastruttura e facilitare la collaborazione che sarà necessaria per affrontare queste sfide ingegneristiche.

Questa sinergia tra industria e mondo accademico è stata particolarmente efficace nello sviluppo della piattaforma Maxwell, un sistema commerciale di calcolo quantistico ad atomo neutro dimostrato da M Quadrato, uno sviluppatore di fotonica e tecnologie quantistiche, presso il Regno Unito Vetrina nazionale delle tecnologie quantistiche nel novembre 2022. L'attuale versione del sistema può supportare 100 qubit e il CEO di M Squared Graeme Malcolm afferma che esiste un percorso chiaro per ridimensionare la tecnologia a 400 qubit e oltre.

"Per creare Maxwell abbiamo stretto una partnership strategica con l'Università di Strathclyde, che ha fornito alla nostra azienda l'accesso a fisica rivoluzionaria di livello mondiale", afferma Malcolm. "È stato fantastico avere un dipartimento universitario così forte a portata di mano a cui possiamo affidarci per competenze specialistiche, mentre siamo stati in grado di portare la capacità ingegneristica necessaria per sviluppare un prodotto affidabile".

Maxwell si basa su un'architettura qubit ad atomo neutro perfezionata da Jonathan Pritchard e dal suo gruppo di ricerca a Strathclyde. La piattaforma sperimentale, che si basa sulla tecnologia laser di base di M Squared per manipolare le transizioni energetiche negli atomi ultrafreddi, è stata sviluppata attraverso una partnership EPSRC Prosperity chiamata Quadrato.

"Abbiamo lavorato a stretto contatto con gli ingegneri fotonici di M Squared per ottimizzare le prestazioni dei laser e, in alcuni casi, per progettare nuovi dispositivi su misura per i processi atomici specifici di cui abbiamo bisogno", afferma Pritchard. Nel frattempo, lo sviluppo del sistema commerciale è stato reso possibile dal DISCOVERY programma, un progetto da 10 milioni di sterline coordinato da M Squared e sostenuto dal programma Quantum Technologies Challenge di Innovate UK per affrontare le barriere tecnologiche al calcolo quantistico commerciale.

Uno dei prossimi passi della collaborazione sarà lavorare con Andrew Daley, esperto di simulazione quantistica e informatica presso l'Università di Strathclyde, per sviluppare algoritmi quantistici che dimostrino le capacità della piattaforma. Nel 2021 un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Harvard negli Stati Uniti ha dimostrato che un sistema di atomi neutri composto da 256 qubit potrebbe essere utilizzato per simulare e osservare il comportamento quantistico di sistemi a molti corpi, e all'inizio di quest'anno il team ha utilizzato un sistema di 289 qubit versione a dimostrare un percorso verso il vantaggio quantistico per una specifica classe di algoritmi quantistici analogici.

"Il sistema che abbiamo sviluppato con l'Università di Strathclyde è competitivo con i migliori computer quantistici ad atomi neutri del mondo", afferma Malcolm. "Ora vogliamo mettere alcuni di quegli algoritmi sull'hardware che abbiamo dimostrato e stabilire partnership per vedere dove può offrire valore per le sfide del mondo reale".

La necessità di mettere in atto solidi protocolli di benchmarking e certificazione è un'altra importante priorità per Kashefi e l'NQCC. Nell'ambito del suo programma di ricerca, Kashefi si è concentrata sullo sviluppo di strumenti per la verifica e il collaudo, che ritiene contribuiranno a velocizzare lo sviluppo delle tecnologie più promettenti.

"Quando emergono diversi dispositivi, dobbiamo sapere come valutarli e come confrontare le loro prestazioni con altre piattaforme", afferma. "Un quadro di test affidabile fornisce un feedback cruciale che ci consentirà di passare più rapidamente a un nuovo regime".

Nel 2021 l'NQCC ha commissionato Riverlano, specialista in algoritmi e software quantistici, per sviluppare una suite di benchmarking per consentire il confronto delle prestazioni tra diversi tipi di processori quantistici. Un consorzio guidato dal National Physical Laboratory sta anche studiando metriche chiave per il calcolo quantistico, con l'obiettivo di sviluppare standard aperti per sostenere lo sviluppo tecnologico internazionale. "L'NQCC non sta cercando di spingere nessuna particolare soluzione hardware, ma essere in grado di confrontare diverse piattaforme sarà davvero utile per stimolare il nostro programma di sviluppo e l'ecosistema più ampio", afferma Kashefi.

Tale benchmarking consentirà inoltre di capire dove le soluzioni quantistiche offrono un vero vantaggio rispetto alle architetture informatiche classiche. "Il Quantum Computing è una tecnologia sorprendente e rivoluzionaria, ma alla fine è solo un altro strumento computazionale" continua Kashefi. "Un corretto benchmarking ci consentirà di capire quali attività sono più adatte a un computer classico e quali possono essere migliorate da una soluzione quantistica".

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