양자 가속을 위한 촉매제를 제공하는 협업

2022년 노벨 물리학상은 Alain Aspect, John Clauser, Anton Zeilinger가 정보 처리를 위한 양자 시스템의 잠재력을 처음으로 보여준 선구적인 실험을 인정했습니다. 수십 년 후, 산업계와 학계의 과학자와 엔지니어는 이러한 성과를 바탕으로 다양한 응용 분야에서 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 엿볼 수 있는 작동하는 양자 컴퓨터를 만들고 있습니다.

지금까지의 발전은 인상적이었지만 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어난 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 훨씬 더 많은 작업이 필요합니다. 오늘날의 소규모 양자 프로세서는 큐비트 수를 100~1000 범위로 늘리고 있지만 계산 기능을 제한하는 노이즈 및 오류의 영향을 받습니다. 광범위한 양자 이점을 달성하기 위해 기술을 확장하려면 학계와 상업 부문 간의 긴밀한 협력뿐만 아니라 다양한 분야에 걸친 과학적 독창성과 엔지니어링 노하우가 필요합니다.

영국에서는 국가 양자 기술 프로그램 (NQTP)는 1년부터 양자 감지, 이미징, 통신 및 컴퓨팅 분야의 기술 허브를 지원해 온 £2014bn 이니셔티브입니다. 에든버러 대학의 양자 컴퓨팅 교수이자 파리 소르본 대학의 CNRS 연구 책임자인 Elham Kashefi는 "우리는 유용한 응용 프로그램을 제공하기 위해 양자 컴퓨터의 확장을 추진하기 위해 협력하는 풍부한 생태계를 가지고 있습니다."라고 말합니다.

Kashefi는 방금 영국의 수석 과학자로 임명되었습니다. 국립양자컴퓨팅센터 (NQCC)는 NQTP의 주력 프로그램으로 2020년에 출범한 국가 시설입니다. NQCC는 확장 문제를 해결하기 위해 연구 그룹 및 상업 부문과 협력하여 영국에서 양자 컴퓨팅 제공을 가속화하는 것을 목표로 합니다.

Kashefi는 "NQCC에서 제 역할 중 일부는 응용 프로그램 개발자와 최종 사용자를 모아 유용한 장치 개발을 추진하는 것입니다."라고 말했습니다. "우리는 이제 알고리즘 요구 사항이 하드웨어 설계에 영향을 미칠 수 있는 단계에 있으며, 이를 통해 원하는 사용 사례와 새로운 기계 사이의 격차를 좁힐 수 있습니다."

컴퓨터 공학을 전공한 Kashefi는 양자 솔루션 개발에서 소프트웨어와 알고리즘이 수행할 수 있는 역할을 오랫동안 옹호해 왔습니다. 그녀는 소프트웨어 연구 프로그램을 조정했습니다. 양자 컴퓨팅 및 시뮬레이션(QCS) 허브, 양자 컴퓨팅에 대한 중요한 과학적 과제에 중점을 둔 NQTP가 지원하는 영국 대학 컨소시엄. 이 허브는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 옹호하는 여러 신생 기업의 발판 역할을 했으며 현재 NQCC와 협력하여 연구 강점을 혁신적인 기술로 변환하여 영국 양자 컴퓨팅 생태계를 성장시킵니다.

새로운 역할의 일환으로 Kashefi는 NQCC와 협력하여 NQCC 프로그램의 국가적 범위를 더욱 확장할 핵심 이니셔티브인 에든버러 대학에 양자 소프트웨어 연구소를 설립할 것입니다. "우리가 현재 물리적 큐비트에 직면하고 있는 확장성 문제는 컴퓨터 과학 및 애플리케이션 소프트웨어가 해결하는 데 도움이 될 수 있는 문제입니다."라고 그녀는 말합니다. "응용 프로그램의 요구 사항을 해결하기 위해 소프트웨어 및 제어 시스템을 공동 개발함으로써 큐비트에 대한 요구 사항을 최적화할 수 있습니다."

이러한 공동 개발에는 양자 하드웨어 및 정보 처리에 대한 지식과 복잡한 계산 문제를 해결하는 방법을 이해하는 수학자 및 컴퓨터 과학자의 전문 지식을 결합하는 다학제적 접근 방식이 필요합니다.

Kashefi는 "고전 컴퓨터 과학에서 우리가 보유한 풍부한 지식과 연결하면 시스템 아키텍처와 제어 시스템은 물론 오류 완화 및 수정을 위한 프로토콜을 최적화하여 하드웨어 플랫폼에서 최상의 결과를 얻을 수 있습니다."라고 말했습니다. "예를 들어, 고성능 컴퓨팅 분야에서 일하는 사람들은 최적화 문제를 해결하는 방법을 알아내는 데 많은 시간을 할애했으며 그들의 입력은 컴퓨팅 이점을 제공하는 양자 솔루션의 개발을 가속화하는 데 도움이 될 것입니다."

한 가지 유망한 방법은 새로운 양자 장치를 기존 컴퓨팅 인프라와 결합하는 하이브리드 접근 방식의 개발입니다. 예를 들어 NQCC는 QuPharma 협력, 약물 발견을 위한 분자 시뮬레이션을 실행하는 데 필요한 시간을 근본적으로 줄이는 것을 목표로 하는 £6.8m 프로젝트.

하드웨어 개발자 주도 SEQC 영국 독일 거대 제약회사 Merck KgaA가 참여하는 이 프로젝트는 SEEQC의 양자 프로세서를 고전적인 슈퍼컴퓨터와 결합하여 약물 설계를 위한 보다 강력한 플랫폼을 만드는 것을 목표로 합니다. "우리는 양자 컴퓨팅이 해결할 수 있는 연구 문제로 변환할 수 있도록 산업의 문제점을 이해해야 합니다."라고 Kashefi는 지적합니다.

이러한 공동 프로젝트는 양자 이론, 소프트웨어 및 알고리즘에 대한 세계적 수준의 연구와 모든 주요 큐비트 아키텍처를 조사하는 실험 작업을 육성한 영국 학계 내에 숨겨진 과학적 전문 지식을 활용합니다.

Kashefi는 "응용 및 검증에 중점을 둔 사람으로서 초전도 회로 및 포획된 이온에서 포토닉스 및 실리콘 기반 장치에 이르는 큐비트 플랫폼에 액세스할 수 있어 기뻤습니다."라고 말했습니다. "코드를 작성할 때 각 큐비트 플랫폼의 기능과 한계를 인식해야 합니다. 일부 애플리케이션은 특정 하드웨어 솔루션에서 제공하는 노이즈 모델이나 연결에 더 적합할 수 있기 때문입니다."

신흥 양자 산업은 또한 영국 내 과학 기반의 강점으로부터 이익을 얻습니다. 많은 양자 신생 기업은 이전 연구 그룹과 긴밀한 관계를 유지하여 기술을 발전시키고 개발 프로그램을 가속화합니다.

QCS Hub의 수석 연구원이자 옥스퍼드 대학의 포획 이온 양자 컴퓨팅 그룹의 공동 리더인 David Lucas는 "학계는 아이디어 공장 역할을 합니다."라고 말합니다. "기술을 확장하는 것은 단일 대학 연구 부서의 능력을 넘어서는 엔지니어링 과제입니다." 실제로 NQCC의 핵심 역할 중 하나는 인프라를 제공하고 이러한 엔지니어링 문제를 해결하는 데 필요한 협업을 촉진하는 것입니다.

산업과 학계 간의 이러한 시너지 효과는 맥스웰 플랫폼의 개발에 특히 효과적이었습니다. M 제곱, 영국의 포토닉스 및 양자 기술 개발자 National Quantum Technologies 쇼케이스 시스템의 현재 버전은 2022큐비트를 지원할 수 있으며 M Squared CEO Graeme Malcolm은 기술을 100큐비트 이상으로 확장할 수 있는 명확한 경로가 있다고 말합니다.

"Maxwell을 만들기 위해 우리는 Strathclyde 대학과 전략적 파트너십을 맺었습니다. 덕분에 우리 회사는 세계적 수준의 획기적인 물리학에 접근할 수 있었습니다."라고 Malcolm은 말합니다. "신뢰할 수 있는 제품을 개발하는 데 필요한 엔지니어링 기능을 제공할 수 있는 동시에 전문가 전문 지식을 의지할 수 있는 강력한 대학 학과가 우리 문앞에 있다는 것이 정말 좋았습니다."

Maxwell은 Strathclyde의 Jonathan Pritchard와 그의 연구팀이 완성한 중성 원자 큐비트 아키텍처를 기반으로 합니다. 초저온 원자의 에너지 전이를 조작하기 위해 M Squared의 핵심 레이저 기술에 의존하는 실험 플랫폼은 EPSRC Prosperity Partnership이라는 EPSRC Prosperity Partnership을 통해 개발되었습니다. 정사각형.

Pritchard는 "우리는 M Squared의 포토닉스 엔지니어와 긴밀히 협력하여 레이저 성능을 최적화하고 어떤 경우에는 우리가 필요로 하는 특정 원자 프로세스에 맞는 새로운 장치를 설계했습니다."라고 말했습니다. 한편, 상용 시스템의 개발은 발견 M Squared가 조정하고 Innovate UK의 Quantum Technologies Challenge 프로그램이 지원하는 £10m 프로젝트로 상용 양자 컴퓨팅에 대한 기술 장벽을 해결합니다.

협력을 위한 다음 단계 중 하나는 Strathclyde 대학의 양자 시뮬레이션 및 컴퓨팅 전문가인 Andrew Daley와 협력하여 플랫폼의 기능을 입증하는 양자 알고리즘을 개발하는 것입니다. 2021년 미국 하버드대 연구팀은 256큐비트로 구성된 중성원자 시스템을 사용해 다체 시스템의 양자 거동을 시뮬레이션하고 관찰할 수 있음을 보여줬고, 올해 초 팀은 289큐비트를 사용했다. 버전 양자 이점에 대한 경로 입증 아날로그 양자 알고리즘의 특정 클래스에 대해.

"우리가 Strathclyde 대학과 함께 개발한 시스템은 세계 최고의 중성 원자 양자 컴퓨터와 경쟁할 수 있습니다."라고 Malcolm은 말합니다. "이제 우리는 이러한 알고리즘 중 일부를 우리가 시연한 하드웨어에 적용하고 실제 문제에 대한 가치를 제공할 수 있는 곳을 알아보기 위해 파트너십을 구축하고자 합니다."

강력한 벤치마킹 및 인증 프로토콜을 마련해야 하는 필요성은 Kashefi와 NQCC의 또 다른 중요한 우선 순위입니다. Kashefi는 자신의 연구 프로그램 내에서 확인 및 테스트를 위한 도구 개발에 중점을 두었으며 이것이 가장 유망한 기술 개발을 빠르게 진행하는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.

"다양한 장치가 등장하면 이를 평가하는 방법과 성능을 다른 플랫폼과 비교하는 방법을 알아야 합니다."라고 그녀는 말합니다. "신뢰할 수 있는 테스트 프레임워크는 새로운 체제로 더 빨리 전환할 수 있도록 중요한 피드백을 제공합니다."

2021년 NQCC는 리버 레인양자 알고리즘 및 소프트웨어 전문가인 , 다양한 유형의 양자 프로세서에서 성능을 비교할 수 있는 벤치마킹 제품군을 개발합니다. 국립 물리 ​​연구소(National Physical Laboratory)가 이끄는 컨소시엄도 국제 기술 개발을 뒷받침할 개방형 표준을 개발하기 위해 양자 컴퓨팅의 주요 지표를 조사하고 있습니다. Kashefi는 "NQCC는 특정 하드웨어 솔루션을 추진하려고 하지 않지만 다양한 플랫폼을 벤치마킹할 수 있다는 것은 자체 개발 프로그램과 더 넓은 생태계를 자극하는 데 정말 유용할 것입니다."라고 말했습니다.

이러한 벤치마킹을 통해 양자 솔루션이 기존 컴퓨팅 아키텍처에 비해 진정한 이점을 제공하는 곳을 이해할 수 있습니다. "양자 컴퓨팅은 놀랍고 혁신적인 기술이지만 궁극적으로 또 다른 컴퓨팅 도구일 뿐입니다."라고 Kashefi는 말합니다. "적절한 벤치마킹을 통해 기존 컴퓨터에 가장 적합한 작업과 양자 솔루션으로 개선할 수 있는 작업을 이해할 수 있습니다."

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