コラボレーションが量子加速の触媒を提供

2022 年のノーベル物理学賞は、情報を処理するための量子システムの可能性を初めて実証した Alain Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger による先駆的な実験を表彰しました。 数十年後、産業界と学界の両方の科学者とエンジニアは、これらの成果に基づいて機能する量子コンピューターを作成し、さまざまなアプリケーションで複雑な問題に取り組む可能性を垣間見ることができます。

これまでの進歩は目覚ましいものでしたが、従来の対応物よりも優れた性能を発揮できる量子コンピューターを作成するには、さらに多くの作業が必要です。 今日の小規模な量子プロセッサは、量子ビット数を 100 ～ 1000 の範囲に押し上げていますが、計算能力を制限するノイズとエラーの影響を受けています。 広範な量子優位性を達成するために技術をスケールアップするには、学術部門と商業部門の間の緊密な協力だけでなく、多くの異なる分野にわたる科学的創意工夫とエンジニアリングのノウハウが必要です。

英国では、そのコラボレーションは 国立量子テクノロジープログラム (NQTP) は、1 年以来、量子センシング、イメージング、通信、およびコンピューティングのテクノロジ ハブをサポートしてきた 2014 億ポンドのイニシアチブです。 エジンバラ大学の量子コンピューティングの教授であり、パリのソルボンヌ大学の CNRS 研究ディレクターである Elham Kashefi は、次のように述べています。

Kashefi は、英国の主任科学者に任命されたばかりです。 国立量子計算センター (NQCC) は、NQTP の旗艦プログラムとして 2020 年に開始された国立施設です。 NQCC は、研究グループや商業セクターと提携してスケーリングの課題に対処することにより、英国での量子コンピューティングの提供を加速することを目指しています。

「NQCC での私の役割の XNUMX つは、アプリケーション開発者とエンド ユーザーをまとめて、有用なデバイスの開発を進めることです」と Kashefi 氏は言います。 「私たちは今、アルゴリズムの要件がハードウェアの設計に影響を与えることができる段階にあり、これにより、望ましいユースケースと新しいマシンとの間のギャップを埋めることができます.」

コンピューター サイエンスのバックグラウンドを持つ Kashefi は、量子ソリューションの開発においてソフトウェアとアルゴリズムが果たすことができる役割を長年にわたって提唱してきました。 彼女は、社内のソフトウェア研究プログラムを調整しました。 量子コンピューティングとシミュレーション (QCS) ハブ、量子コンピューティングの重要な科学的課題に焦点を当てているNQTPによってサポートされている英国の大学のコンソーシアム。 このハブは、さまざまなハードウェアおよびソフトウェア ソリューションを擁護する多くの新興企業の出発点となっており、現在は NQCC と協力して、研究の強みを革新的な技術に変換することで、英国の量子コンピューティング エコシステムを成長させています。

彼女の新しい役割の一環として、カシェフィは NQCC と協力してエディンバラ大学に Quantum Software Lab を設立します。 「私たちが現在物理量子ビットで直面しているスケーラビリティの課題は、コンピューター サイエンスとアプリケーション ソフトウェアが解決に役立つ問題です」と彼女は言います。 「アプリケーションのニーズに対応するソフトウェアと制御システムを共同開発することで、キュービットの要件を最適化できます。」

このような共同開発には、量子ハードウェアと情報処理の知識と、複雑な計算問題に取り組む方法を理解している数学者とコンピューター科学者の専門知識を組み合わせた学際的なアプローチが必要です。

「古典的なコンピューター サイエンスで私たちが持っている豊富な知識と連携することで、システム アーキテクチャと制御システム、およびエラーの軽減と修正のためのプロトコルを最適化し、ハードウェア プラットフォームから最高の結果を得ることができます」と Kashefi 氏は言います。 「一例として、高性能コンピューティングに携わる人々は、最適化問題を解決する方法を理解するために多くの時間を費やしてきました。彼らの意見は、計算上の利点をもたらす量子ソリューションの開発を加速するのに役立ちます。」

有望な手段の XNUMX つは、新しい量子デバイスと従来のコンピューティング インフラストラクチャを組み合わせたハイブリッド アプローチの開発です。 一例として、NQCC は クファーマとのコラボレーションは、創薬のための分子シミュレーションの実行に必要な時間を大幅に短縮することを目的とした 6.8 万ポンドのプロジェクトです。

ハードウェア開発者主導 SEEQC 英国 また、ドイツの製薬大手 Merck KgaA が関与するこのプロジェクトは、SEEQC の量子プロセッサを従来のスーパーコンピューターと組み合わせて、より強力な医薬品設計プラットフォームを作成することを目的としています。 「業界の問題点を理解して、量子コンピューティングで解決できる可能性のある研究問題に変換できるようにする必要があります」と Kashefi 氏は指摘します。

このような共同プロジェクトは、量子理論、ソフトウェア、およびアルゴリズムにおける世界クラスの研究と、すべての主要なキュービット アーキテクチャを調査する実験作業を育んできた英国の学術部門内にある科学的専門知識を活用しています。

「アプリケーションと検証に焦点を当てている者として、超伝導回路やトラップされたイオンからフォトニクスやシリコンベースのデバイスに至るまで、キュービット プラットフォームにアクセスできることに興奮しています」と Kashefi 氏は述べています。 「コードを記述するときは、各量子ビット プラットフォームの機能と制限を認識する必要があります。アプリケーションによっては、特定のハードウェア ソリューションによって提供されるノイズ モデルや接続性により適している場合があるからです。」

新興の量子産業は、英国内の科学基盤の強みからも恩恵を受けており、多くの量子新興企業が以前の研究グループとの密接な関係を維持して、技術を進歩させ、開発プログラムを加速しています。

「学術部門はアイデア工場として機能します」と、QCS ハブの主任研究員であり、オックスフォード大学のトラップ イオン量子コンピューティング グループの共同リーダーである David Lucas は言います。 「テクノロジーのスケールアップは、単一の大学の研究部門の能力を超えたエンジニアリングの課題です。」 実際、NQCC の重要な役割の XNUMX つは、インフラストラクチャを提供し、これらのエンジニアリングの課題に対処するために必要なコラボレーションを促進することです。

産業界と学界の間の相乗効果は、マクスウェル プラットフォームの開発に特に効果的でした。 MXNUMX乗、英国のフォトニクスおよび量子技術の開発者 National Quantum Technologiesショーケース 現在のバージョンのシステムは 2022 キュービットをサポートでき、M Squared の CEO である Graeme Malcolm は、テクノロジーを 100 キュービット以上にスケーリングするための明確な道筋があると述べています。

「Maxwell を作成するために、ストラスクライド大学と戦略的パートナーシップを結びました。これにより、当社は世界クラスの画期的な物理学へのアクセスが可能になりました」と Malcolm 氏は言います。 「信頼性の高い製品を開発するために必要なエンジニアリング能力をもたらすことができた一方で、専門知識を得るために頼ることができる強力な大学の学部が目の前にあることは素晴らしいことです。」

Maxwell は、Jonathan Pritchard と Strathclyde の彼の研究チームによって完成された中性原子キュービット アーキテクチャに基づいています。 M Squared のコア レーザー技術を利用して超低温原子のエネルギー遷移を操作する実験プラットフォームは、EPRC Prosperity Partnership を通じて開発されました。 四角.

「私たちは M Squared のフォトニクス エンジニアと緊密に協力して、レーザーの性能を最適化し、場合によっては、必要な特定の原子プロセスに合わせて調整された新しいデバイスを設計しました」と Pritchard 氏は言います。 一方、商用システムの開発は、 発見 このプログラムは、M Squared が調整し、Innovate UK の Quantum Technologies Challenge プログラムが支援する 10 万ポンドのプロジェクトで、商用の量子コンピューティングに対する技術的障壁に対処します。

コラボレーションの次のステップの 2021 つは、ストラスクライド大学の量子シミュレーションとコンピューティングの専門家である Andrew Daley と協力して、プラットフォームの機能を実証する量子アルゴリズムを開発することです。 256 年、米国のハーバード大学が率いる研究チームは、289 キュービットで構成される中性原子システムを使用して、多体系の量子挙動をシミュレートおよび観察できることを示しました。へのバージョン 量子優位性への道筋を示す アナログ量子アルゴリズムの特定のクラス用。

「私たちがストラスクライド大学と共同で開発したシステムは、世界最高の中性原子量子コンピューターに匹敵します」とマルコムは言います。 「今、私たちはこれらのアルゴリズムのいくつかを私たちが実証したハードウェアに搭載し、パートナーシップを確立して、現実世界の課題に対してどこで価値を提供できるかを確認したいと考えています.」

堅牢なベンチマークと認証プロトコルを導入する必要性は、カシェフィと NQCC にとってもう XNUMX つの重要な優先事項です。 Kashefi 氏は自身の研究プログラムの中で、検証とテストのためのツールの開発に重点を置いており、これが最も有望な技術の開発を加速させるのに役立つと彼女は信じています。

「さまざまなデバイスが登場したら、それらを評価する方法と、そのパフォーマンスを他のプラットフォームと比較する方法を知る必要があります」と彼女は言います。 「信頼できるテスト フレームワークは、新しい体制により迅速に移行できるようにする重要なフィードバックを提供します。」

2021年にNQCCが委託 リバーレーンは、量子アルゴリズムとソフトウェアのスペシャリストであり、さまざまな種類の量子プロセッサ間でパフォーマンスを比較できるベンチマーク スイートを開発しました。 National Physical Laboratory が主導するコンソーシアムも、国際的な技術開発を支えるオープン スタンダードの開発を目指して、量子コンピューティングの主要な測定基準を調査しています。 「NQCC は特定のハードウェア ソリューションを推し進めようとしているわけではありませんが、さまざまなプラットフォームのベンチマークを実施できることは、私たち自身の開発プログラムとより広いエコシステムを刺激するのに非常に役立ちます」と Kashefi 氏は言います。

このようなベンチマークにより、量子ソリューションが従来のコンピューティング アーキテクチャに対して真の利点を提供する場所を理解することも可能になります。 「量子コンピューティングは驚くべき革新的な技術ですが、最終的には別の計算ツールにすぎません」と Kashefi 氏は続けます。 「適切なベンチマークにより、従来のコンピューターに最適なタスクと、量子ソリューションによって強化できるタスクを理解できるようになります。」

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