Samarbeid gir katalysator for kvanteakselerasjon

Nobelprisen i fysikk 2022 anerkjente banebrytende eksperimenter av Alain Aspect, John Clauser og Anton Zeilinger som for første gang demonstrerte potensialet til kvantesystemer for prosessering av informasjon. Flere tiår senere bygger forskere og ingeniører i både industri og akademia på disse prestasjonene for å lage fungerende kvantedatamaskiner som gir et fristende glimt av deres potensial til å takle komplekse problemer på tvers av en rekke applikasjoner.

Selv om fremgangen til dags dato har vært imponerende, trengs mye mer arbeid for å lage kvantedatamaskiner som kan utkonkurrere sine klassiske motstykker. Dagens småskala kvanteprosessorer presser nå antallet qubits mot 100–1000-området, men de er påvirket av støy og feil som begrenser deres beregningsevne. Å skalere opp teknologien for å oppnå en bred kvantefordel vil kreve vitenskapelig oppfinnsomhet og ingeniørkunnskap på tvers av mange forskjellige disipliner, samt tett samarbeid mellom akademisk og kommersiell sektor.

I Storbritannia har dette samarbeidet blitt drevet gjennom Nasjonalt Quantum Technologies Program (NQTP), et initiativ på £1 milliard som siden 2014 har støttet teknologihuber innen kvanteregistrering, bildebehandling, kommunikasjon og databehandling. "Vi har et rikt økosystem som jobber sammen for å presse oppskaleringen av kvantedatamaskiner for å levere nyttige applikasjoner," sier Elham Kashefi, professor i kvantedatabehandling ved University of Edinburgh og CNRS-forskningsdirektør ved Sorbonne University i Paris.

Kashefi har nettopp blitt utnevnt til sjefforsker i Storbritannia National Quantum Computing Center (NQCC), et nasjonalt anlegg lansert i 2020 som et flaggskipprogram for NQTP. NQCC har som mål å akselerere leveringen av kvantedatabehandling i Storbritannia ved å samarbeide med forskningsgrupper og den kommersielle sektoren for å møte skaleringsutfordringer.

"En del av rollen min med NQCC vil være å bringe sammen applikasjonsutviklere og sluttbrukere for å presse frem utviklingen av nyttige enheter," sier Kashefi. "Vi er nå på stadiet hvor algoritmekravene kan påvirke utformingen av maskinvaren, slik at vi kan lukke gapet mellom ønsket brukssak og den nye maskinen."

Med bakgrunn fra informatikk har Kashefi lenge vært en talsmann for rollen som programvare og algoritmer kan spille i utviklingen av kvanteløsninger. Hun koordinerte programvareforskningsprogrammet innenfor Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, et konsortium av britiske universiteter støttet av NQTP som fokuserer på de kritiske vitenskapelige utfordringene for kvanteberegning. Navet har vært startskuddet for en rekke oppstartsbedrifter som forkjemper forskjellige maskinvare- og programvareløsninger, og samarbeider nå med NQCC for å utvide det britiske kvanteberegningsøkosystemet ved å omsette forskningsstyrker til innovative teknologier.

Som en del av sin nye rolle vil Kashefi samarbeide med NQCC for å etablere et Quantum Software Lab ved University of Edinburgh, et kjerneinitiativ som ytterligere vil utvide det nasjonale fotavtrykket til NQCCs program. "Skalerbarhetsutfordringen vi nå står overfor med de fysiske qubitene er et problem som informatikk og applikasjonsprogramvare kan bidra til å løse," sier hun. "Vi kan optimalisere kravene til qubits ved å samutvikle programvaren og kontrollsystemene for å møte behovene til applikasjonen."

Slik samutvikling krever en tverrfaglig tilnærming som kombinerer kunnskap om kvantemaskinvare og informasjonsbehandling med ekspertisen til matematikere og informatikere som forstår hvordan man takler komplekse beregningsproblemer.

"Å koble oss til rikdommen av kunnskap vi har innen klassisk informatikk vil gjøre oss i stand til å optimere systemarkitekturer og kontrollsystemer, samt protokoller for feilredusering og -korrigering, for å oppnå det beste resultatet fra maskinvareplattformene," sier Kashefi. "Som et eksempel har folk som jobber med høyytelses databehandling brukt mye tid på å finne ut hvordan de skal løse optimaliseringsproblemer, og deres innspill vil bidra til å akselerere utviklingen av kvanteløsninger som gir en beregningsfordel."

En lovende vei er utviklingen av hybride tilnærminger som kombinerer nye kvanteenheter med klassisk datainfrastruktur. Som et eksempel er NQCC en partner i QuPharma-samarbeid, et prosjekt på 6.8 millioner pund som har som mål å radikalt redusere tiden som trengs for å kjøre molekylære simuleringer for oppdagelse av legemidler.

Ledet av maskinvareutvikler SEEQC Storbritannia og involverer den tyske farmasøytiske giganten Merck KgaA, har prosjektet som mål å kombinere SEEQCs kvanteprosessor med en klassisk superdatamaskin for å skape en kraftigere plattform for legemiddeldesign. "Vi må forstå smertepunktene i industrien for å gjøre det mulig for oss å oversette dem til forskningsproblemer som kvantedatabehandling kan være i stand til å løse," påpeker Kashefi.

Slike samarbeidsprosjekter trekker på den vitenskapelige ekspertisen som finnes i Storbritannias akademiske sektor, som har fostret forskning i verdensklasse innen kvanteteori, programvare og algoritmer, samt eksperimentelt arbeid med å undersøke alle de ledende qubit-arkitekturene.

"Som en som er fokusert på applikasjoner og verifisering, har jeg vært henrykt over å ha tilgang til qubit-plattformer som spenner fra superledende kretser og fangede ioner til fotonikk og silisiumbaserte enheter," sier Kashefi. "Når vi skriver koden, må vi være klar over egenskapene og begrensningene til hver qubit-plattform, siden noen applikasjoner kan være mer egnet til støymodellen eller tilkoblingen som tilbys av en bestemt maskinvareløsning."

Den fremvoksende kvanteindustrien drar også nytte av styrken til vitenskapsbasen i Storbritannia, med mange kvantestart-ups som opprettholder nære forbindelser med sine tidligere forskningsgrupper for å fremme teknologien og akselerere utviklingsprogrammene deres.

«Den akademiske sektoren fungerer som en idéfabrikk,» sier David Lucas, hovedetterforsker for QCS Hub og medleder for fange-ion kvantedatabehandlingsgruppen ved Oxford University. "Å skalere opp teknologien er en ingeniørutfordring som strekker seg utover mulighetene til en enkelt universitetsforskningsavdeling." En nøkkelrolle for NQCC er faktisk å skaffe infrastrukturen og legge til rette for samarbeidet som vil være nødvendig for å møte disse tekniske utfordringene.

Denne synergien mellom industri og akademia har vært spesielt effektiv i utviklingen av Maxwell-plattformen, et kommersielt nøytral-atom kvantedatabehandlingssystem demonstrert av M Squared, en utvikler av fotonikk og kvanteteknologi, hos Storbritannia Nasjonalt Quantum Technologies Showcase i november 2022. Den nåværende versjonen av systemet kan støtte 100 qubits, og M Squared-sjef Graeme Malcolm sier at det er en klar rute for å skalere teknologien til 400 qubits og utover.

"For å skape Maxwell dannet vi et strategisk partnerskap med University of Strathclyde, som har gitt selskapet vårt tilgang til banebrytende fysikk i verdensklasse," sier Malcolm. "Det har vært flott å ha en så sterk universitetsavdeling rett utenfor dørstokken som vi kan lene oss inn på for spesialistkompetanse, samtidig som vi har vært i stand til å bringe ingeniørkompetansen som trengs for å utvikle et pålitelig produkt."

Maxwell er basert på en nøytral-atom qubit-arkitektur perfeksjonert av Jonathan Pritchard og hans forskerteam ved Strathclyde. Den eksperimentelle plattformen, som er avhengig av M Squareds kjernelaserteknologi for å manipulere energioverganger i ultrakalde atomer, ble utviklet gjennom et EPSRC Prosperity Partnership kalt Torget.

"Vi jobbet tett med fotonikingeniørene ved M Squared for å optimalisere ytelsen til laserne, og i noen tilfeller for å designe nye enheter skreddersydd til de spesifikke atomprosessene vi trenger," sier Pritchard. I mellomtiden ble utviklingen av det kommersielle systemet aktivert av DISCOVERY program, et prosjekt på 10 millioner pund koordinert av M Squared og støttet av Innovate UKs Quantum Technologies Challenge-program for å adressere teknologibarrierene for kommersiell kvantedatabehandling.

Et av de neste trinnene for samarbeidet vil være å samarbeide med Andrew Daley, en ekspert på kvantesimulering og databehandling ved University of Strathclyde, for å utvikle kvantealgoritmer som demonstrerer plattformens evne. I 2021 viste et forskerteam ledet av Harvard University i USA at et nøytralatomsystem sammensatt av 256 qubits kunne brukes til å simulere og observere kvanteatferden til mangekroppssystemer, og tidligere i år brukte teamet en 289-qubit versjon til demonstrere en vei til kvantefordel for en spesifikk klasse av analoge kvantealgoritmer.

"Systemet vi har utviklet med University of Strathclyde er konkurransedyktig med de beste nøytral-atom kvantedatamaskinene i verden," sier Malcolm. "Nå ønsker vi å sette noen av disse algoritmene på maskinvaren vi har demonstrert og etablere partnerskap for å se hvor den kan tilby verdi for utfordringer i den virkelige verden."

Dette behovet for å få på plass robuste benchmarking og sertifiseringsprotokoller er en annen viktig prioritet for Kashefi og NQCC. Innenfor sitt eget forskningsprogram har Kashefi fokusert på å utvikle verktøy for verifisering og testing, som hun mener vil bidra til å fremskynde utviklingen av de mest lovende teknologiene.

"Når forskjellige enheter dukker opp, må vi vite hvordan vi skal evaluere dem og hvordan vi kan sammenligne ytelsen deres med andre plattformer," sier hun. "Et pålitelig testrammeverk gir viktig tilbakemelding som vil tillate oss å gå raskere over til et nytt regime."

I 2021 tok NQCC i bruk Riverlane, en spesialist i kvantealgoritmer og programvare, for å utvikle en benchmarking-pakke for å muliggjøre ytelsessammenligninger på tvers av forskjellige typer kvanteprosessorer. Et konsortium ledet av National Physical Laboratory undersøker også nøkkeltall for kvanteberegning, med sikte på å utvikle åpne standarder for å understøtte internasjonal teknologiutvikling. "NQCC prøver ikke å presse noen spesiell maskinvareløsning, men å kunne måle forskjellige plattformer vil være veldig nyttig for å stimulere vårt eget utviklingsprogram så vel som det bredere økosystemet," sier Kashefi.

Slik benchmarking vil også gjøre det mulig å forstå hvor kvanteløsninger gir en genuin fordel fremfor klassiske dataarkitekturer. "Kvantedatabehandling er en fantastisk og revolusjonerende teknologi, men til syvende og sist er det bare et annet beregningsverktøy" fortsetter Kashefi. "Riktig benchmarking vil gjøre oss i stand til å forstå hvilke oppgaver som er best egnet for en klassisk datamaskin, og som kan forbedres med en kvanteløsning."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/