Toby Cubitt: waarom algoritmen de toepassingen van kwantumcomputers zullen versnellen – Physics World

Kwantumcomputers zijn veelbelovend omdat ze, althans in principe, bepaalde problemen kunnen oplossen die zelfs door de krachtigste conventionele supercomputers niet kunnen worden opgelost. Maar het bouwen van quantumbits, oftewel qubits – en het koppelen ervan om praktische quantumcomputers te creëren – is een enorme uitdaging. Vooral kwantumcomputers zijn ongelooflijk luidruchtig, wat snel fouten in kwantumberekeningen introduceert.

Daarom ontwikkelen veel onderzoekers slimme kwantumalgoritmen die zelfs op de kleine, luidruchtige kwantumcomputers van vandaag nuttige berekeningen kunnen uitvoeren. Eén bedrijf dat aan deze inspanning bijdraagt, is Fasecraft, dat in 2019 werd afgesplitst van University College London en de University of Bristol. De natuurkundige Toby Cubitt, mede-oprichter en chief technology officer bij Phasecraft, praat met Hamish Johnston over hoe toepassingen in de echte wereld om de hoek zouden kunnen liggen.

Waarom heb je Phasecraft oorspronkelijk opgericht?

We hebben Phasecraft opgericht omdat quantum computing het punt bereikte waarop quantum computing-hardware niet langer slechts een speelgoedsysteem was, maar de grenzen verlegde van wat op conventionele computers kon worden gedaan. We wilden proberen de algoritmen te ontwikkelen die nodig zijn om gebruik te maken van die vroege hardware en kwantumtoepassingen werkelijkheid te maken. Dat is wetenschappelijk gezien een enorme uitdaging, maar wel een fascinerende om bij betrokken te zijn.

Hoe groot is het bedrijf op dit moment?

We hebben momenteel ongeveer 20 fulltime medewerkers, van wie ongeveer een derde een achtergrond heeft in kwantumcomputers of kwantuminformatietheorie, een derde in materiaalkunde, gecondenseerde materie en scheikunde, en een derde in de computerkant. Ze hebben allemaal kennis van kwantumcomputing, maar zijn ook heel erg goed in – en houden van – het programmeren van dit spul, het implementeren ervan en het werkend krijgen op de hardware.

Wij sponsoren PhD-studenten die op plaatsen als University College London en de University of Bristol verblijven, maar die hier rechtstreeks in de kantoren van het bedrijf werken. We hebben ook veel stagiaires – zowel studenten als PhD-studenten. We zijn momenteel erg gefocust op onderzoek en ontwikkeling. Maar naarmate er nuttige toepassingen online komen, verwacht ik dat het allemaal veel commerciëler van aard zal worden.

Zou u zeggen dat kwantumsoftware genegeerd is ten gunste van alle hype en opwinding rond het ontwikkelen van nieuwe qubits en processortechnologieën?

Hardware is uiterst belangrijk en verdient de aandacht die eraan wordt besteed, waarbij fascinerende natuurkunde, materiaalkunde en techniek betrokken zijn. Maar voor ons aan de softwarekant draait het allemaal om het bedenken van slimme wiskundige ideeën om algoritmen efficiënter te maken en te laten werken op de kleinschalige kwantumapparaten van vandaag de dag. Het is zelfs waarschijnlijker dat we vooruitgang boeken door betere algoritmen dan door te wachten op verbeteringen in de hardware.

Zelfs als kwantumhardware exponentieel zou groeien, zou het tien jaar kunnen duren voordat je er iets nuttigs mee zou kunnen doen. Voor het werken aan algoritmen zijn ook geen dure cryostaten, verdunningskoelkasten, vloeibaar helium of chips nodig – alleen een stel heel slimme mensen die diep nadenken, en dat is wat we bij Phasecraft hebben. Een paar jaar geleden ontwikkelden we bijvoorbeeld algoritmen voor het simuleren van de tijdsdynamiek van kwantumsystemen die ongeveer zes ordes van grootte beter waren dan die van Google en Microsoft.

Kwantumprocessors zijn luidruchtig, waardoor ze snel de samenhang verliezen en berekeningen onmogelijk maken. Hoe ontwikkel je praktische algoritmen die op imperfecte apparaten kunnen worden uitgevoerd?

Ruis en fouten zijn de vloek van alle kwantumtoepassingen op echte hardware. Er zijn een aantal ongelooflijke verbeteringen aan de hardware doorgevoerd, maar we kunnen er niet van uitgaan dat kwantumcomputers perfect zijn, zoals bij klassieke apparaten het geval is. Dus bij alles wat we in Phasecraft doen, moeten we denken in termen van onvolmaakte, luidruchtige kwantumcomputers die fouten bevatten. Voer een willekeurige berekening uit en de fouten stapelen zich zo snel op dat je alleen maar ruis – willekeurige gegevens – eruit krijgt, en je bent alle kwantuminformatie kwijt.

Om dit probleem te omzeilen, is het van cruciaal belang om algoritmen zo efficiënt mogelijk te maken en ze minder gevoelig of gevoelig voor ruis te maken. Het is waar dat in de jaren negentig Peter Shor ontwikkelde het concept van kwantumfoutcorrectie en de fouttolerante drempelstelling, waaruit theoretisch blijkt dat je zelfs op luidruchtige kwantumcomputers willekeurig lange kwantumberekeningen kunt uitvoeren. Maar daarvoor zijn zulke grote aantallen qubits nodig, dat we hier niet op kunnen rekenen als oplossing.

Onze focus ligt daarom meer op een technisch probleem, waarbij we proberen te begrijpen hoe geluid er in detail uitziet. Hoe beter we ruis kunnen begrijpen, hoe meer we er omheen kunnen ontwerpen, zodat het de uitkomst niet beïnvloedt. Maar de winst is groot, want als je een algoritme minder complex kunt maken, kun je iets nuttigs uit deze luidruchtige kwantumcomputers halen. Het gaat erom de algoritmen zo te ontwerpen dat we er meer uit kunnen halen.

Ik zeg vaak dat de huidige kwantumcomputers zich bevinden op de plek waar klassieke computers zich in de jaren vijftig bevonden. Toen vonden mensen het leuk Alan Turing kwamen met heel slimme ideeën over hoe we wat meer uit onhandige, primitieve hardware konden halen en er daadwerkelijk ongelooflijke dingen mee konden doen. Dat is het stadium waarin we ons bevinden met quantum computing. Bepaalde algoritmen zijn soms zelfs geschikter voor het ene type hardware dan voor het andere.

Wat voor soort qubits gebruik je momenteel qua hardware?

Bij Phasecraft zijn we geïnteresseerd in alle soorten hardware. We gebruiken echter vooral supergeleidende qubit-circuits, omdat dat het huidige toonaangevende hardwareplatform is. Maar we gebruiken ook ionenvallen op hardware met koude atomen en we denken ook aan fotonische hardware. Maar we zijn niet gebonden aan één bepaald platform.

De focus van Phasecraft ligt op algoritmen die materiaaleigenschappen berekenen. Waarom zijn die toepassingen zo geschikt voor de vroege kwantumcomputers van vandaag?

In de industrie besteden veel bedrijven veel tijd en geld aan het gebruik van klassieke, krachtige computers om de eigenschappen van materialen te bepalen. Het probleem is dat het erg rekenintensief is, dus uiteindelijk proberen ze het probleem te vereenvoudigen. Maar het gevaar is dan dat je de zaken helemaal verkeerd kunt aanpakken. Je kunt bijvoorbeeld voorspellen dat een materiaal een isolator is, terwijl het in werkelijkheid een geleider is. Het kan soms zo verkeerd zijn.

Bij Phasecraft concentreren we ons op het modelleren en simuleren van materialen, omdat deze toepassingen het dichtst bij de huidige hardware liggen. Andere toepassingen, zoals optimalisatie, stellen hogere eisen aan het aantal qubits en poorten dat je nodig hebt. Naarmate de hardware verbetert, zullen kwantumchemiesimulaties binnen ons bereik komen. Ze zijn moeilijker te simuleren dan periodieke, kristallijne materialen, omdat de complexiteit van een algoritme in moleculaire systemen wordt geschaald als het aantal elektronenorbitalen tot de macht van vier.

Kun je ons een voorproefje geven van enkele specifieke materialen die je hebt bekeken?

Op dit moment is de hardware nog niet groot genoeg om simulaties van echte materialen te kunnen maken die verder gaan dan wat klassiek mogelijk is. We bevinden ons dus nog steeds in het stadium waarin we de algoritmen hebben, maar we hebben nog niet helemaal de hardware om op te draaien, hoewel het dichtbij komt. Dat gezegd hebbende, de soorten materialen die een goed doelwit zijn voor toepassingen in een vroeg stadium van kwantumcomputing zijn gerelateerd aan schone energie: batterijmaterialen, zaken als metaaloxiden.

Het zijn toevallig ook algoritmen waarbij klassieke algoritmen niet zo goed werken, omdat ze erbij betrokken zijn sterk gecorreleerd elektronen. Hetzelfde geldt voor fotovoltaïsche zonne-energie. Sterker nog, we hebben een samenwerking met Oxford PV, waarmee gewerkt wordt perovskiet fotovoltaïsche zonne-energie, waar we opnieuw kijken naar sterk gecorreleerde elektronensystemen. Dit omvat het dynamisch simuleren van zaken als de snelheid waarmee deeltjes-gat-paren recombineren om licht uit te zenden.

We hebben ook strontiumvanadaat onderzocht, dat toevallig een mooie bandstructuur heeft, wat betekent dat het op een kleinere kwantumcomputer past dan bepaalde andere materialen. Het is niet de kleinste, maar het is een metaaloxidesysteem dat interessant is en minder qubits en minder poorten nodig heeft dan andere metaaloxides.

Wanneer denkt u dat Phasecraft het punt van “kwantumvoordeel” zal bereiken waarop uw algoritmen op een kwantumprocessor kunnen draaien en dingen kunnen berekenen die een supercomputer niet kan?

Dat is de vraag van een miljoen dollar. In feite is het waarschijnlijk de miljardenvraag. De kwantumindustrie moet het punt bereiken waarop zij niet alleen speelgoedproblemen demonstreert, maar ook echte problemen op kwantumcomputers oplost.

Ik hoop dat ik niet klink als de man die vermoedelijk ooit gezegd Er zouden slechts drie computers nodig zijn in de wereld, maar ik denk echt dat we daar in de komende twee tot drie jaar wel eens kunnen komen. Die vroege vragen zijn misschien eerder van wetenschappelijk belang dan van industrieel belang; de industrie is misschien al iets verder dan dat punt. Het zal geen kwestie zijn van het van de ene op de andere dag uitschakelen van uw high-performance computing (HPC)-clusters en direct overstappen op een kwantumcomputer. Het is veel waarschijnlijker dat het een geleidelijk proces is waarbij steeds meer nuttige dingen online komen. Zo werkt de wetenschap: je boekt vooruitgang, je stuit op een obstakel en boekt vervolgens nog meer vooruitgang. Het heeft de neiging om op te krabbelen.

Vooruitgang hangt af van het harde werk van grote teams van wetenschappers die jarenlang ijverig hebben gewerkt. Dat is wat er gaande is in quantum computing, en de eerste toepassingen zullen wellicht niet de krantenkoppen halen

Wanneer de bredere media berichten over kwantumcomputers, hebben ze de neiging om aan te nemen dat enorme doorbraken uit het niets uit het niets komen. Maar dat doen ze niet. Vooruitgang hangt af van het harde werk van grote teams van wetenschappers die jarenlang ijverig hebben gewerkt. Dat is wat er gaande is in quantum computing, en de eerste toepassingen zullen wellicht niet de krantenkoppen halen. Maar wetenschappers zullen zich realiseren dat wanneer we die drempel hebben overschreden, je dingen kunt doen die onmogelijk zijn met conventionele computers. We zijn niet ver weg.

Phasecraft ontving onlangs £ 13 miljoen aan particuliere financiering. Wat bent u van plan met dat geld te doen?

Voor een kwantumalgoritmebedrijf als het onze gaat het overgrote deel van de financiering naar het betalen van de salarissen van mensen. Onze medewerkers zijn de sleutel; ons meest waardevolle bezit is ons team. Voor een hardwarebedrijf is dat heel anders, omdat hardware duur is. Maar we hebben mensen nodig die kunnen nadenken en coderen, zodat we met geld ons team gestaag kunnen uitbreiden.

We hebben altijd meer ideeën dan we de middelen hebben om na te streven, en naarmate we dichter bij de implementatie van grote berekeningen op kwantumcomputers komen, zullen we het team opschalen. Het zal nog een paar jaar duren voordat we commercieel relevante toepassingen zullen hebben, maar als dat gebeurt, zullen we door een keerpunt gaan en zal de hele industrie veranderen. We willen altijd graag praten met slimme mensen die enthousiast zijn over het gebruik van kwantummechanica voor toepassingen in de echte wereld.

Dus hoe zal het bedrijf evolueren?

Het enige dat nodig is, is één geweldig, uitmuntend idee dat de hele kwantumindustrie volledig zou kunnen veranderen. We willen er zeker van zijn dat we ons onderzoeksteam de ruimte geven om dat soort blue-sky-denken te doen dat het gezicht van waar het bedrijf naartoe gaat zou kunnen veranderen. Zeker, niet alle ideeën zullen werken – 20 kunnen mislukken, maar de 21e zal een belangrijke nieuwe richting blijken te zijn waar niemand anders aan heeft gedacht. Dat is bij Phasecraft al een paar keer gebeurd. Iemand raakt geïnspireerd en dan opent zich een nieuwe richting.

Kwantumalgoritmen maken slim gebruik van luidruchtige hardware

We bevinden ons in een enorm opwindende tijd op het gebied van quantum computing. Ik ben nog steeds een professor aan de UCL, en dat heb ik nog steeds een academische groep daar, maar ik vind beide kanten – toegepast en theoretisch – even intellectueel interessant. Over sommige onderwerpen heb ik twintig jaar lang getheoretiseerd, maar ik had geen enkel instrumentarium om ze in de praktijk te brengen. Maar nu kan ik die theorie tot werkelijkheid maken. In plaats van alleen maar een paper te schrijven, kan ik mijn idee op hardware uitvoeren.

Natuurlijk werkt het misschien helemaal niet. Het zou kunnen blijken dat het echte universum zegt: “Nee. Dat is geen goed idee." Maar het kan nog steeds een ongelooflijk nuttig en fascinerend probleem zijn om aan te pakken. En dus vind ik de toegepaste kant van het onderzoek – het toepassen van deze natuurkunde op de technologie – net zo fascinerend en interessant als het academisch denken in de blauwe lucht.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/