Samarbeid former prioritering innenfor DESYs kvanteøkosystem – Physics World

Samarbeid former prioritering innenfor DESYs kvanteøkosystem – Physics World

Tidsstempel: 19. februar 2024 4:33

Det tyske forskningskraftsenteret DESY gjorde sitt navn innen høyenergifysikk, men Center for Quantum Technology and Applications (CQTA) har som mål å utvide – og forsterke – laboratoriets innsats innen kvantevitenskap. Leder for CQTA Karl Jansen snakker med Joe McEntee om viktigheten av FoU-partnerskap i senterets langsiktige forretningsmodell

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/collaboration-shapes-prioritization-within-desys-quantum-ecosystem-physics-world.jpg" data-caption="Kvantemangfold CQTA scientists provide academic, industry and government partners with specialist technical support in quantum computing and quantum sensing. The team currently comprises three staff members, one project coordinator, three postdocs and nine graduate students. (Courtesy: DESY)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/collaboration-shapes-prioritization-within-desys-quantum-ecosystem-physics-world.jpg”>CQTA-forskere
Kvantemangfold CQTA-forskere gir akademiske, industri- og regjeringspartnere spesialist teknisk støtte innen kvantedatabehandling og kvanteregistrering. Teamet består i dag av tre ansatte, en prosjektkoordinator, tre postdoktorer og ni hovedfagsstudenter. (Med tillatelse: DESY)

Som et tysk nasjonalt laboratorium forankret i fysikk, og et av verdens ledende akseleratorforskningssentre, faller DESYs vitenskapelige bestrebelser inn under fire hovedtemaer: partikkelfysikk, fotonvitenskap, astropartikkelfysikk og akseleratorfysikk. Disse komplementære forskningsveiene, fulgt med et nettverk av nasjonale og internasjonale partnere, betyr at DESY tiltrekker seg mer enn 3000 gjesteforskere fra over 40 land hvert år. Laboratoriet er også et ettertraktet FoU-knutepunkt for industrien, og dets ledende eksperimentelle fasiliteter tilbyr et unikt tillegg til innovasjonsrørledningen til Europas små og mellomstore bedrifter samt etablerte teknologiselskaper.

CQTA-teamet er her for å hjelpe industri, akademiske og offentlige partnere med å formulere problemene sine på en slik måte at de kan kjøre på en kvantedatamaskin

Den utadvendte arbeidsmodellen underbygger et begynnende FoU-arbeid som søker å bygge videre på DESYs evner innen kvantevitenskap og -teknologi. Målet: å støtte laboratoriets mangfoldige høyenergifysikkprogram, samtidig som det muliggjøres alle slags nedstrømspåvirkninger i industrielle og kommersielle applikasjoner. Denne innsatsen kanaliseres gjennom Center for Quantum Technology and Applications (CQTA), etablert på DESYs Zeuthen-campus i utkanten av Berlin med €15m i startfinansiering fra delstaten Brandenburg.

En quantum QUEST på Kypros

Tidligere i år ble Karl Jansen, leder for DESYs CQTA, tildelt en akademisk leder på 2.5 millioner euro fra European Research Executive Agency (REA), et pan-europeisk finansieringsorgan for forskning og innovasjon. Jansen, DESYs første REA-leder, vil bruke midlene til å etablere et nytt forskningssenter for kvanteberegning ved Kypros-instituttet.

Laboratoriet Quantum Computing for Excellence in Science and Technology (QUEST), som ligger i utkanten av Nicosia, vil være fullt koblet til CQTA-forskningsprogrammet ved DESY i Zeuthen. Det felles målet: å forbedre forskningskapasiteten på Kypros ved å opprette et regionalt senter for fremragende forskning og utvikling, som igjen tiltrekker kvanteforskere og ingeniører på høyt nivå til det østlige Middelhavet.

"Som REA-leder for QUEST," sier Jansen, "jobber jeg med kolleger ved Kypros-instituttet for å etablere en kvantegruppe bestående av en førsteamanuensis samt flere postdoktorer og PhD-studenter. En annen QUEST-prioritet er å gi praktisk opplæring for studenter som er interessert i å forfølge en forskerkarriere innen kvantevitenskap og ingeniørfag."

Lansert i januar 2022, søker CQTA å utnytte DESYs grunnleggende vitenskapelige programmer innen kvanteberegning, kvantematerialer og kvantesansing. "DESY har satt på plass en arbeidsgruppe for kvanteteknologi for å koordinere sin kvante-FoU-innsats, med CQTA som et samlingspunkt for operasjonell implementering av kvanteberegning og kvanteregistrering," sier Karl Jansen, leder for CQTA og professor i fysikk ved DESY. "Vår aktivitetsportefølje på CQTA utvides hele tiden, og det vi håper på som et resultat er å identifisere brukstilfeller der vi tydelig kan levere 'kvantefordeler' gjennom kvanteberegningsmetoder."

Kvantefordel i vitenskap

Når det gjelder operasjonelle prioriteringer, går CQTAs ansvarsområde langs flere hovedspor: utvikling av kvantealgoritmer og metoder; lette tilgangen til kvantedatamaskinvare for DESYs forsknings- og industripartnere; benchmarking, testing og verifisering av kvantemaskinvare; og kjører et kvantemetrologiprogram ved å bruke fangede-ion-klokker for å søke etter "ny fysikk" utover standardmodellen. Det er også et tilpasset opplæringsprogram på gang for nybegynnere som ønsker å forstå det grunnleggende innen kvantedatabehandling, samt målrette avanserte utøvere innen forskning og industri.

Fremgangen er oppmuntrende, med flaggskip-CQTA-prosjekter som allerede er i gang til støtte for DESYs kjernefysikkprogrammer. Laser Und XFEL Experiment (LUXE), for eksempel, er et forskningssamarbeid mellom DESY-forskere og deres kolleger ved European X-ray Free Electron Laser (Eu.XFEL) i Hamburg for å studere kvanteelektrodynamikk (QED) prosesser ved so- kalt "sterk feltgrense" (undersøker i hovedsak interaksjonene mellom en optisk laser med høy intensitet og 16.5 GeV elektronstrålen til Eu.XFEL).

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/2024-02-BSQA-DESY-Jansen_Karl.jpg" data-caption="Karl Jansen "Kvantealgoritmene og metodene vi har utviklet for applikasjoner innen høyenergifysikk er overførbare til mange industrielle problemer - og omvendt." (Courtesy: DESY)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/2024-02-BSQA-DESY-Jansen_Karl.jpg”>Karl Jansen
Karl Jansen "Kvantealgoritmene og metodene vi har utviklet for applikasjoner innen høyenergifysikk er overførbare til mange industrielle problemer - og omvendt." (Med tillatelse: DESY)

CQTA-forskere på sin side utfører proof-of-princip-studier innen LUXE, og distribuerer kvantemaskinvare for å undersøke bruken av portbaserte kvantedatamaskiner for mønstergjenkjenning i partikkelsporrekonstruksjon. Håpet er at kvantealgoritmer og metoder utviklet innenfor LUXE vil kunne overføres til eksperimenter ved andre høyenergifysikkanlegg, og hjelpe forskere til å behandle enorme mengder data på en mer effektiv måte.

Et annet aktivt undersøkelsesområde er virkningen av støy i kvantealgoritmer. "Dagens kvantedatamaskiner er veldig støyende," sier Jansen, "men den støyen kan være nyttig hvis en algoritme blir "fast" i et hjørne av parameterrommet." Å legge til noe støy kan med andre ord drive en algoritme bort fra et feil resultat mot den søkte løsningen (selv om for mye støy betyr at ingen løsning blir funnet i det hele tatt). "Det vi ser etter i hvert enkelt tilfelle er "sweet-spot" og den optimale mengden støy, legger Jansen til.

Kvantefordel i industrien

I mellomtiden blir kvantedatabehandling allerede utpekt som en "forstyrrende" på tvers av en rekke industrielle applikasjoner, inkludert oppdagelse og utvikling av legemidler, logistikkoptimalisering og finansiell modellering. En casestudie i denne forbindelse er et FoU-samarbeid mellom forskere ved CQTA og Forschungszentrum Jülich, et annet tysk nasjonalt forskningsinstitutt, som ser på "flight-gate-assignment-problemet" på flyplasser – og spesifikt, hvordan man kan maksimere tilkobling og planlegging mellom innkommende og utreiser.

Ved å bruke data fra en operativ flyplass, prøver CQTA-Jülich-teamet å teste ut skjulte korrelasjoner med kvanteberegning og på den måten løse disse problemene raskere og mer effektivt. Det større bildet her er at den matematiske beskrivelsen og løsningen av gate-oppgaveproblemet også kan brukes på andre interesseområder for industri og myndigheter, inkludert trafikkstyring, flåtelogistikktjenester og publikumskontroll ved store sportsbegivenheter. "Det som er interessant," bemerker Jansen, "er at kvantealgoritmene og metodene vi har utviklet for applikasjoner innen høyenergifysikk er overførbare til mange industrielle problemer - og Vice versa».

Noe overraskende involverer et annet aktivt område av CQTA-studier vitenskapelige, tekniske og kunstneriske anvendelser av kvantedatabehandling i musikk. Det er økende interesse her rundt de kreative og kommersielle mulighetene for musikere og produsenter, som bevist av Second International Symposium on Quantum Computing and Musical Creativity, som ble holdt i Berlin i oktober 2023 (og co-organisert av CQTA og University of Plymouth, Storbritannia). "Når vi har fått nok erfaring på CQTA," sier Jansen, "er visjonen å bygge en kvantesynthesizer slik at musikere uten peiling på kvantedatabehandling kan bruke instrumentet til å lage helt nye lyder."

Investering i partnerskap

Til tross for CQTAs operasjonelle fremgang de siste to årene, har Jansen og kolleger også jobbet for å forbedre CQTAs tilbud til et mer strategisk
nivå. Faktisk ble CQTA akseptert i fjor som et IBM Quantum Innovation Center, og åpnet for tilgang til et globalt FoU-nettverk av Fortune 500-selskaper, oppstartsbedrifter, universiteter og nasjonale forskningslaboratorier, som alle samarbeider med IBM for å fremme kvantedatabehandlingsteknologier og applikasjoner. IBM-sammenhengen er dobbelt betydelig gitt at CQTA posisjonerer seg som en leverandør av spesialisert teknisk rådgivning og tilretteleggingstjenester for alt som har med kvante å gjøre.

DESY har satt på plass en arbeidsgruppe for kvanteteknologi for å koordinere sin kvante-FoU-innsats, med CQTA som et samlingspunkt for kvanteberegning og kvanteregistrering

"CQTA-teamet er her for å hjelpe industri, akademiske og offentlige partnere med å formulere problemene sine matematisk på en slik måte at de kan kjøre på en kvantedatamaskin," bemerker Jansen. "Vårt nære samarbeid med IBM betyr at vi i forlengelsen er i stand til å formidle avgiftsbasert tilgang for tredjeparter til IBMs banebrytende kvantemaskinvare og -programvare - og pakke ut komplekse vitenskapelige og teknologiske problemer via kvantedatabehandling."

Den økte synlighet og anerkjennelse fungerer også i andre henseender – ikke minst CQTAs rolle som en "kvanteakselerator" og regionalt knutepunkt i delstaten Brandenburg, der lokale myndigheter er innstilt på å skape en globalt viktig base for kvanteteknologier innen slutten av tiåret. "Akkurat nå," sier Jansen, "handler alt om å koble sammen relevante interessenter i Brandenburg-regionen og utforske felles initiativer – for eksempel å bygge opp kvantearbeidsstyrken, så vel som anvendt forskning og innovasjonsnettverk."

Mens CQTA-forskere og ingeniører fortsetter å utforske nye applikasjoner for kvanteberegning, leter Jansen allerede etter en bærekraftig langsiktig forretningsmodell for initiativet, som for tiden er finansiert av delstatsregjeringen i Brandenburg, det tyske forbundsdepartementet for utdanning og forskning (BMBF) ), EUs Horizon-program og et nettverk av industripartnere. 

"Byggeklossene i CQTAs forretningsplan er mye under arbeid," konkluderer Jansen, "med vekt på FoU-samarbeid, anvendt vitenskapelig rådgivning og mer enn sannsynlig en pivot mot teknologioversettelse og spin-out av kommersiell oppstartssatsinger."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden