שיתוף פעולה מספק זרז להאצה קוונטית

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 הכיר בניסויים חלוציים של אלן אספקט, ג'ון קלוזר ואנטון זיילינגר שהדגימו לראשונה את הפוטנציאל של מערכות קוונטיות לעיבוד מידע. כמה עשורים מאוחר יותר, מדענים ומהנדסים הן בתעשייה והן באקדמיה בונים על הישגים אלה כדי ליצור מחשבים קוונטיים מתפקדים המציעים הצצה מפתה לפוטנציאל שלהם להתמודד עם בעיות מורכבות במגוון יישומים.

למרות שההתקדמות עד היום הייתה מרשימה, נדרשת עבודה רבה יותר כדי ליצור מחשבים קוונטיים שיכולים להתעלות על מקביליהם הקלאסיים. המעבדים הקוונטיים בקנה מידה קטן של היום דוחפים כעת את מספר הקיוביטים לכיוון טווח 100-1000, אך הם מושפעים מרעש ושגיאות שמגבילים את יכולות החישוב שלהם. הגדלת הטכנולוגיה להשגת יתרון קוונטי רחב ידרוש כושר המצאה מדעי וידע הנדסי על פני דיסציפלינות רבות ושונות, כמו גם שיתוף פעולה הדוק בין המגזר האקדמי והמסחרי.

בבריטניה שיתוף הפעולה הזה הונע דרך ה התוכנית הלאומית לטכנולוגיות קוונטיות (NQTP), יוזמה של מיליארד ליש"ט שמאז 1 תומכת במוקדי טכנולוגיה בחישה קוונטית, הדמיה, תקשורת ומחשוב. "יש לנו מערכת אקולוגית עשירה שעובדת יחד כדי לדחוף את קנה המידה של מחשבים קוונטיים כדי לספק יישומים שימושיים", אומר אלהם כשפי, פרופסור למחשוב קוונטי באוניברסיטת אדינבורו ומנהל מחקר CNRS באוניברסיטת סורבון בפריז.

כשפי מונה זה עתה למדען הראשי של בריטניה המרכז הלאומי למחשוב קוונטי (NQCC), מתקן לאומי שהושק בשנת 2020 כתוכנית דגל של NQTP. ה-NQCC שואף להאיץ את אספקת המחשוב הקוונטי בבריטניה על ידי שיתוף פעולה עם קבוצות מחקר והמגזר המסחרי כדי להתמודד עם אתגרי קנה המידה.

"חלק מתפקידי עם NQCC יהיה להפגיש בין מפתחי אפליקציות ומשתמשי קצה כדי לדחוף קדימה את הפיתוח של מכשירים שימושיים", אומר קשפי. "אנחנו נמצאים כעת בשלב שבו דרישות האלגוריתמים יכולות להשפיע על עיצוב החומרה, מה שמאפשר לנו לסגור את הפער בין מקרה השימוש הרצוי למכונה המתהווה".

עם רקע במדעי המחשב, קשפי כבר מזמן תומכת בתפקיד שתוכנה ואלגוריתמים יכולים למלא בפיתוח פתרונות קוונטיים. היא ריכזה את תוכנית מחקר התוכנה בתוך רכזת מחשוב וסימולציה קוונטי (QCS)., קונסורציום של אוניברסיטאות בבריטניה הנתמך על ידי NQTP המתמקד באתגרים המדעיים הקריטיים עבור מחשוב קוונטי. המרכז היה נקודת ההשקה של מספר חברות סטארט-אפ הדוגלות בפתרונות חומרה ותוכנה שונים, וכעת הוא עובד עם NQCC כדי להצמיח את האקולוגית של המחשוב הקוונטי בבריטניה על ידי תרגום חוזקות מחקר לטכנולוגיות חדשניות.

כחלק מתפקידה החדש, כשפי תעבוד עם NQCC להקמת מעבדת תוכנה קוונטית באוניברסיטת אדינבורו, יוזמת ליבה שתרחיב עוד יותר את טביעת הרגל הלאומית של התוכנית של NQCC. "אתגר המדרגיות שאנו מתמודדים איתו כעת עם הקיוביטים הפיזיים הוא בעיה שמדעי המחשב ותוכנות יישומים יכולות לעזור לפתור", היא אומרת. "אנו יכולים לייעל את הדרישות עבור הקיוביטים על ידי פיתוח משותף של התוכנה ומערכות הבקרה כדי לתת מענה לצרכי האפליקציה."

פיתוח משותף כזה דורש גישה רב-תחומית המשלבת ידע בחומרה קוונטית ועיבוד מידע עם מומחיותם של מתמטיקאים ומדעני מחשב שמבינים כיצד להתמודד עם בעיות חישוביות מורכבות.

"החיבור עם שפע הידע שיש לנו במדעי המחשב הקלאסי יאפשר לנו לייעל את ארכיטקטורות המערכת ומערכות הבקרה, כמו גם פרוטוקולים להפחתת ותיקון שגיאות, כדי להשיג את התוצאה הטובה ביותר מפלטפורמות החומרה", אומר כשפי. "כדוגמה, אנשים העובדים במחשוב בעל ביצועים גבוהים השקיעו זמן רב בפתרון בעיות אופטימיזציה, והקלט שלהם יעזור להאיץ את הפיתוח של פתרונות קוונטיים המספקים יתרון חישובי."

אחת הדרכים המבטיחות היא פיתוח גישות היברידיות המשלבות התקנים קוונטיים מתפתחים עם תשתית מחשוב קלאסית. כדוגמה, ה-NQCC הוא שותף ב- שיתוף פעולה של QuPharma, פרויקט של 6.8 מיליון ליש"ט שמטרתו להפחית באופן קיצוני את הזמן הדרוש להפעלת סימולציות מולקולריות לגילוי תרופות.

בהובלת מפתח חומרה SEEQC בריטניה ובהשתתפות ענקית התרופות הגרמנית Merck KgaA, מטרת הפרויקט היא לשלב את המעבד הקוונטי של SEEQC עם מחשב-על קלאסי כדי ליצור פלטפורמה חזקה יותר לעיצוב תרופות. "אנחנו צריכים להבין את נקודות הכאב בתעשייה כדי לאפשר לנו לתרגם אותן לבעיות מחקר שמחשוב קוונטי עשוי לפתור", מציין כשפי.

פרויקטים שיתופיים כאלה מסתמכים על המומחיות המדעית הקיימת במגזר האקדמי של בריטניה, אשר טיפחה מחקר ברמה עולמית בתורת הקוונטים, תוכנה ואלגוריתמים, כמו גם עבודה ניסיונית החוקרת את כל ארכיטקטורות הקיוביט המובילות.

"כמי שמתמקד ביישומים ובאימות, התרגשתי לקבל גישה לפלטפורמות קיוביט, החל ממעגלים מוליכים ויונים כלואים ועד לפוטוניקה והתקנים מבוססי סיליקון", אומר קשפי. "כשאנחנו כותבים את הקוד אנחנו צריכים להיות מודעים ליכולות ולמגבלות של כל פלטפורמת קיוביט, מכיוון שחלק מהיישומים עשויים להתאים יותר למודל הרעש או לקישוריות שמציע פתרון חומרה מסוים."

תעשיית הקוונטים המתפתחת נהנית גם מהחוזק של הבסיס המדעי בבריטניה, כאשר סטארט-אפים קוונטיים רבים מקיימים קשרים הדוקים עם קבוצות המחקר לשעבר שלהם כדי לקדם את הטכנולוגיה ולהאיץ את תוכניות הפיתוח שלהם.

"המגזר האקדמי פועל כמפעל רעיונות", אומר דיוויד לוקאס, החוקר הראשי של QCS Hub ומנהיג שותף של קבוצת המחשוב הקוונטי לכוד יונים באוניברסיטת אוקספורד. "הגדלת הטכנולוגיה היא אתגר הנדסי שמתרחב מעבר ליכולות של מחלקת מחקר אחת באוניברסיטה". אכן, תפקיד מפתח אחד של ה-NQCC הוא לספק את התשתית ולאפשר את שיתוף הפעולה שיידרש כדי להתמודד עם אתגרים הנדסיים אלה.

הסינרגיה הזו בין התעשייה והאקדמיה הייתה יעילה במיוחד בפיתוח פלטפורמת מקסוול, מערכת מחשוב קוונטי נייטרלי-אטומי מסחרית שהדגימה על ידי M ריבוע, מפתחת פוטוניקה וטכנולוגיות קוונטיות, בבריטניה ראווה של טכנולוגיות קוונטיות לאומיות בנובמבר 2022. הגרסה הנוכחית של המערכת יכולה לתמוך ב-100 קיוביטים, ומנכ"ל M Squared, Graeme Malcolm, אומר שיש מסלול ברור להגדלת הטכנולוגיה ל-400 קיוביטים ומעלה.

"כדי ליצור את מקסוול יצרנו שותפות אסטרטגית עם אוניברסיטת סטרטקלייד, אשר סיפקה לחברה שלנו גישה לפיזיקה פורצת דרך ברמה עולמית", אומר מלקולם. "היה נהדר שיש מחלקה כל כך חזקה באוניברסיטה ממש על סף דלתנו שאנחנו יכולים להישען אליה כדי לקבל מומחיות מומחית, בזמן שהצלחנו להביא את היכולת ההנדסית הדרושה לפיתוח מוצר אמין."

מקסוול מבוסס על ארכיטקטורת קיוביט ניטראלית באטום ששוכללה על ידי ג'ונתן פריצ'רד וצוות המחקר שלו ב-Strathclyde. הפלטפורמה הניסיונית, הנשענת על טכנולוגיית הלייזר הליבה של M Squared כדי לתפעל מעברי אנרגיה באטומים קרים במיוחד, פותחה באמצעות שותפות EPSRC Prosperity שנקראת כיכר.

"עבדנו בשיתוף פעולה הדוק עם מהנדסי הפוטוניקה ב-M Squared כדי לייעל את ביצועי הלייזרים, ובמקרים מסוימים לתכנן מכשירים חדשים המותאמים לתהליכים האטומיים הספציפיים שאנו צריכים", אומר פריצ'רד. בינתיים, פיתוח המערכת המסחרית התאפשר על ידי ה גילוי תוכנית, פרויקט של 10 מיליון ליש"ט שתואם על ידי M Squared ונתמך על ידי תוכנית Quantum Technologies Challenge של Innovate UK כדי להתמודד עם החסמים הטכנולוגיים למחשוב קוונטי מסחרי.

אחד השלבים הבאים לשיתוף הפעולה יהיה לעבוד עם אנדרו דיילי, מומחה לסימולציה קוונטית ומחשוב מאוניברסיטת Strathclyde, לפיתוח אלגוריתמים קוונטיים המדגימים את יכולת הפלטפורמה. בשנת 2021 צוות מחקר בראשות אוניברסיטת הרווארד בארה"ב הראה שניתן להשתמש במערכת אטומים ניטרלית המורכבת מ-256 קיוביטים כדי לדמות ולצפות בהתנהגות הקוונטית של מערכות רבות של גוף, ומוקדם יותר השנה הצוות השתמש ב-289 קיוביטים. גרסה ל להדגים נתיב ליתרון קוונטי עבור מחלקה ספציפית של אלגוריתמים קוונטיים אנלוגיים.

"המערכת שפיתחנו עם אוניברסיטת Strathclyde היא תחרותית עם המחשבים הקוונטים הנייטרליים הטובים בעולם", אומר מלקולם. "עכשיו אנחנו רוצים לשים חלק מהאלגוריתמים האלה על החומרה שהדגמנו ולבסס שותפויות כדי לראות היכן היא יכולה להציע ערך עבור אתגרים בעולם האמיתי."

הצורך הזה להקים פרוטוקולי מידוד והסמכה חזקים הוא עדיפות חשובה נוספת עבור Kashefi ו-NQCC. במסגרת תוכנית המחקר שלה, התמקדה כשפי בפיתוח כלים לאימות ובדיקה, שלדעתה יסייעו להאיץ את הפיתוח של הטכנולוגיות המבטיחות ביותר.

"כאשר מכשירים שונים צצים, עלינו לדעת כיצד להעריך אותם וכיצד להשוות את הביצועים שלהם לפלטפורמות אחרות", היא אומרת. "מסגרת בדיקה אמינה מספקת משוב מכריע שיאפשר לנו לעבור מהר יותר למשטר חדש."

בשנת 2021 הזמין ה-NQCC ריברליין, מומחה באלגוריתמים קוונטיים ותוכנה, לפתח חבילת בנצ'מרקינג כדי לאפשר השוואת ביצועים בין סוגים שונים של מעבדים קוונטיים. קונסורציום בראשות המעבדה הפיזית הלאומית חוקר גם מדדי מפתח עבור מחשוב קוונטי, במטרה לפתח סטנדרטים פתוחים לתמיכה בפיתוח טכנולוגי בינלאומי. "ה-NQCC לא מנסה לדחוף שום פתרון חומרה מסוים, אבל היכולת למדוד פלטפורמות שונות תהיה ממש שימושית לגירוי תוכנית הפיתוח שלנו, כמו גם את המערכת האקולוגית הרחבה יותר", אומר קשפי.

בנצ'מרק כזה יאפשר גם להבין היכן פתרונות קוונטיים מציעים יתרון אמיתי על פני ארכיטקטורות מחשוב קלאסיות. "מחשוב קוונטי הוא טכנולוגיה מדהימה ומהפכנית, אבל בסופו של דבר היא רק עוד כלי חישובי" ממשיך כשפי. "בנצ'מרקינג נכון יאפשר לנו להבין אילו משימות מתאימות ביותר למחשב קלאסי, ואילו ניתן לשפר על ידי פתרון קוונטי".

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/