Samenwerking biedt katalysator voor kwantumversnelling

De Nobelprijs voor natuurkunde van 2022 erkende baanbrekende experimenten van Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger die voor het eerst het potentieel van kwantumsystemen voor het verwerken van informatie aantoonden. Enkele decennia later bouwen wetenschappers en ingenieurs in zowel de industrie als de academische wereld voort op deze resultaten om functionerende kwantumcomputers te creëren die een verleidelijke glimp bieden van hun potentieel om complexe problemen in een reeks toepassingen aan te pakken.

Hoewel de vooruitgang tot nu toe indrukwekkend is, is er nog veel meer werk nodig om kwantumcomputers te maken die beter kunnen presteren dan hun klassieke tegenhangers. De huidige kleinschalige kwantumprocessors duwen het aantal qubits nu naar het bereik van 100-1000, maar ze worden beïnvloed door ruis en fouten die hun rekenmogelijkheden beperken. Het opschalen van de technologie om een ​​breed kwantumvoordeel te behalen, vereist wetenschappelijke vindingrijkheid en technische knowhow in veel verschillende disciplines, evenals nauwe samenwerking tussen de academische en commerciële sector.

In het VK is die samenwerking gedreven door de Nationaal programma Quantum Technologies (NQTP), een initiatief van £ 1 miljard dat sinds 2014 technologiehubs op het gebied van kwantumdetectie, beeldvorming, communicatie en computers ondersteunt. "We hebben een rijk ecosysteem dat samenwerkt om de schaalvergroting van kwantumcomputers te stimuleren om nuttige toepassingen te leveren", zegt Elham Kashefi, professor kwantumcomputing aan de Universiteit van Edinburgh en onderzoeksdirecteur van CNRS aan de Sorbonne Universiteit in Parijs.

Kashefi is zojuist benoemd tot Chief Scientist van het Verenigd Koninkrijk Nationaal Quantum Computing Center (NQCC), een nationale faciliteit die in 2020 is gelanceerd als een vlaggenschipprogramma van de NQTP. De NQCC heeft tot doel de levering van quantum computing in het VK te versnellen door samen te werken met onderzoeksgroepen en de commerciële sector om schaaluitdagingen aan te pakken.

"Een deel van mijn rol bij de NQCC zal bestaan ​​uit het samenbrengen van applicatieontwikkelaars en eindgebruikers om de ontwikkeling van nuttige apparaten vooruit te helpen", zegt Kashefi. "We bevinden ons nu in het stadium waarin de vereisten voor algoritmen het ontwerp van de hardware kunnen beïnvloeden, waardoor we de kloof tussen de gewenste use-case en de opkomende machine kunnen dichten."

Met een achtergrond in informatica is Kashefi al lang een pleitbezorger voor de rol die software en algoritmen kunnen spelen bij het ontwikkelen van kwantumoplossingen. Ze coördineerde het software-onderzoeksprogramma binnen de Quantum Computing en Simulatie (QCS) Hub, een consortium van Britse universiteiten ondersteund door de NQTP dat zich richt op de kritieke wetenschappelijke uitdagingen voor kwantumcomputing. De hub is het startpunt geweest voor een aantal startende bedrijven die verschillende hardware- en softwareoplossingen voorstaan, en werkt nu samen met de NQCC om het Britse quantumcomputing-ecosysteem te laten groeien door onderzoekssterkten te vertalen in innovatieve technologieën.

Als onderdeel van haar nieuwe rol zal Kashefi samenwerken met de NQCC om een ​​Quantum Software Lab op te richten aan de Universiteit van Edinburgh, een kerninitiatief dat de nationale voetafdruk van het NQCC-programma verder zal uitbreiden. "De schaalbaarheidsuitdaging waarmee we nu worden geconfronteerd met de fysieke qubits, is een probleem dat computerwetenschap en applicatiesoftware kunnen helpen oplossen", zegt ze. "We kunnen de vereisten voor de qubits optimaliseren door samen de software en controlesystemen te ontwikkelen om aan de behoeften van de applicatie te voldoen."

Dergelijke co-ontwikkeling vereist een multidisciplinaire aanpak die kennis van kwantumhardware en informatieverwerking combineert met de expertise van wiskundigen en computerwetenschappers die begrijpen hoe complexe rekenproblemen moeten worden aangepakt.

"Door verbinding te maken met de schat aan kennis die we hebben in de klassieke informatica, kunnen we systeemarchitecturen en besturingssystemen optimaliseren, evenals protocollen voor foutbeperking en -correctie, om het beste resultaat uit de hardwareplatforms te halen", zegt Kashefi. "Mensen die werkzaam zijn in high-performance computing hebben bijvoorbeeld veel tijd besteed aan het uitzoeken hoe optimalisatieproblemen kunnen worden opgelost, en hun input zal helpen om de ontwikkeling van kwantumoplossingen te versnellen die een rekenvoordeel opleveren."

Een veelbelovende weg is de ontwikkeling van hybride benaderingen die opkomende kwantumapparaten combineren met klassieke computerinfrastructuur. Zo is de NQCC partner in de QuPharma-samenwerking, een project van £ 6.8 miljoen dat tot doel heeft de tijd die nodig is om moleculaire simulaties uit te voeren voor het ontdekken van geneesmiddelen radicaal te verkorten.

Onder leiding van hardwareontwikkelaar SEEQC VK en waarbij de Duitse farmaceutische gigant Merck KgaA betrokken is, heeft het project tot doel de kwantumprocessor van SEEQC te combineren met een klassieke supercomputer om een ​​krachtiger platform voor het ontwerpen van geneesmiddelen te creëren. "We moeten de pijnpunten in de industrie begrijpen, zodat we ze kunnen vertalen naar onderzoeksproblemen die quantum computing mogelijk kan oplossen", zegt Kashefi.

Dergelijke samenwerkingsprojecten putten uit de wetenschappelijke expertise binnen de Britse academische sector, die onderzoek van wereldklasse op het gebied van kwantumtheorie, software en algoritmen heeft gevoed, evenals experimenteel onderzoek naar alle toonaangevende qubit-architecturen.

"Als iemand die zich richt op toepassingen en verificatie, ben ik heel blij dat ik toegang heb tot qubit-platforms, variërend van supergeleidende circuits en gevangen ionen tot fotonica en op silicium gebaseerde apparaten", zegt Kashefi. "Wanneer we de code schrijven, moeten we ons bewust zijn van de mogelijkheden en beperkingen van elk qubit-platform, aangezien sommige applicaties mogelijk meer geschikt zijn voor het ruismodel of de connectiviteit die wordt geboden door een bepaalde hardware-oplossing."

De opkomende kwantumindustrie profiteert ook van de kracht van de wetenschappelijke basis in het VK, met veel kwantum start-ups die nauwe banden onderhouden met hun voormalige onderzoeksgroepen om de technologie vooruit te helpen en hun ontwikkelingsprogramma's te versnellen.

"De academische sector fungeert als een ideeënfabriek", zegt David Lucas, de hoofdonderzoeker van de QCS Hub en medeleider van de trapsgewijze kwantumcomputergroep aan de Universiteit van Oxford. "Het opschalen van de technologie is een technische uitdaging die verder gaat dan de capaciteiten van een enkele universitaire onderzoeksafdeling." Een belangrijke rol voor de NQCC is inderdaad het leveren van de infrastructuur en het faciliteren van de samenwerking die nodig zal zijn om deze technische uitdagingen aan te gaan.

Die synergie tussen de industrie en de academische wereld is bijzonder effectief geweest bij de ontwikkeling van het Maxwell-platform, een commercieel kwantumcomputersysteem met neutrale atomen, aangetoond door M in het kwadraat, een ontwikkelaar van fotonica en kwantumtechnologieën, in het Verenigd Koninkrijk Nationale showcase van Quantum Technologies in november 2022. De huidige versie van het systeem kan 100 qubits ondersteunen, en Graeme Malcolm, CEO van M Squared, zegt dat er een duidelijke route is om de technologie op te schalen naar 400 qubits en verder.

"Om Maxwell te creëren, zijn we een strategisch partnerschap aangegaan met de Universiteit van Strathclyde, waardoor ons bedrijf toegang heeft gekregen tot baanbrekende fysica van wereldklasse", zegt Malcolm. "Het was geweldig om zo'n sterke universiteitsafdeling voor onze deur te hebben waar we terecht kunnen voor specialistische expertise, terwijl we de technische capaciteit hebben kunnen inbrengen die nodig is om een ​​betrouwbaar product te ontwikkelen."

Maxwell is gebaseerd op een atomaire qubit-architectuur, geperfectioneerd door Jonathan Pritchard en zijn onderzoeksteam bij Strathclyde. Het experimentele platform, dat vertrouwt op de kernlasertechnologie van M Squared om energietransities in ultrakoude atomen te manipuleren, is ontwikkeld via een EPSRC Prosperity Partnership genaamd Plein.

"We hebben nauw samengewerkt met de fotonica-ingenieurs van M Squared om de prestaties van de lasers te optimaliseren en in sommige gevallen om nieuwe apparaten te ontwerpen die zijn afgestemd op de specifieke atomaire processen die we nodig hebben", zegt Pritchard. Ondertussen werd de ontwikkeling van het commerciële systeem mogelijk gemaakt door de ONTDEKKING programma, een project van £ 10 miljoen gecoördineerd door M Squared en ondersteund door het Quantum Technologies Challenge-programma van Innovate UK om de technologische barrières voor commerciële quantum computing aan te pakken.

Een van de volgende stappen voor de samenwerking zal zijn om samen te werken met Andrew Daley, een expert in kwantumsimulatie en computergebruik aan de Universiteit van Strathclyde, om kwantumalgoritmen te ontwikkelen die de mogelijkheden van het platform aantonen. In 2021 toonde een onderzoeksteam onder leiding van Harvard University in de VS aan dat een neutraal-atoomsysteem bestaande uit 256 qubits kan worden gebruikt om het kwantumgedrag van veeldeeltjessystemen te simuleren en te observeren, en eerder dit jaar gebruikte het team een ​​289-qubit versie naar demonstreren een pad naar kwantumvoordeel voor een specifieke klasse analoge kwantumalgoritmen.

"Het systeem dat we samen met de Universiteit van Strathclyde hebben ontwikkeld, kan concurreren met de beste neutrale atomaire kwantumcomputers ter wereld", zegt Malcolm. "Nu willen we een aantal van die algoritmen op de hardware zetten die we hebben gedemonstreerd en partnerschappen aangaan om te zien waar het waarde kan bieden voor echte uitdagingen."

Die noodzaak om robuuste benchmarking- en certificeringsprotocollen in te voeren, is een andere belangrijke prioriteit voor Kashefi en de NQCC. Binnen haar eigen onderzoeksprogramma heeft Kashefi zich gericht op het ontwikkelen van tools voor verificatie en testen, die volgens haar zullen helpen om de ontwikkeling van de meest veelbelovende technologieën te versnellen.

"Wanneer er verschillende apparaten verschijnen, moeten we weten hoe we ze moeten evalueren en hoe we hun prestaties kunnen vergelijken met die van andere platforms", zegt ze. “Een betrouwbaar toetsingskader geeft cruciale feedback waarmee we sneller kunnen overstappen naar een nieuw regime.”

In 2021 is het NQCC in gebruik genomen Rivierenweg, een specialist in kwantumalgoritmen en -software, om een ​​benchmarkingsuite te ontwikkelen om prestatievergelijkingen tussen verschillende soorten kwantumprocessors mogelijk te maken. Een consortium onder leiding van het National Physical Laboratory onderzoekt ook belangrijke statistieken voor kwantumcomputing, met het oog op de ontwikkeling van open standaarden ter ondersteuning van internationale technologieontwikkeling. "De NQCC probeert geen bepaalde hardware-oplossing te pushen, maar de mogelijkheid om verschillende platforms te benchmarken zal erg nuttig zijn voor het stimuleren van ons eigen ontwikkelingsprogramma en het bredere ecosysteem", zegt Kashefi.

Dergelijke benchmarking zal het ook mogelijk maken om te begrijpen waar kwantumoplossingen een echt voordeel bieden ten opzichte van klassieke computerarchitecturen. "Quantumcomputing is een verbazingwekkende en revolutionaire technologie, maar uiteindelijk is het gewoon weer een computationeel hulpmiddel", vervolgt Kashefi. "Goede benchmarking stelt ons in staat om te begrijpen welke taken het meest geschikt zijn voor een klassieke computer en welke kunnen worden verbeterd door een kwantumoplossing."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/