Storbritannias første kvanteberegningshackathon utfordret team av studenter og forskere i tidlig karriere til å utvikle nye kvanteløsninger på virkelige problemer
Ni team med forskerstudenter og forskere i tidlig karriere stilte opp i slutten av juli for å konkurrere i Storbritannias første quantum computing hackathon. Organisert av National Quantum Computing Center (NQCC) i samarbeid med QuantX, utfordret arrangementet teamene til å utvikle nye kvanteløsninger på problemer satt av sluttbrukere som BT, NHS og Rolls Royce.
Ved slutten av det to dager lange arrangementet hadde flere team kjørt algoritmene sine på kvantemaskinvare levert av teknologipartnerne IBM, Oxford Quantum Circuits og AWS. Andre, som hadde utviklet løsninger utover mulighetene til nåværende kvanteprosessorer, testet løsningene sine på kvantesimulatorer, med programmeringseksperter fra hver av teknologileverandørene til stede for å gi støtte og råd. "Vi har sjekket inn med teamene gjennom hele arrangementet, og hjulpet med noe av det mer tekniske koden," sa Frank Harkins fra IBM. "Noen har en god visjon om hvor de skal gå og hvordan de skal bruke koden, mens for noen av de andre har vi hjulpet med litt av teorien og algoritmene."
Mentorer fra hver av sluttbrukerorganisasjonene jobbet også sammen med teamene for å tilby ekspertdomenekunnskap, forklare konteksten for problemet og veilede hackerne mot potensielle løsninger. Utfordringen som Rolls Royce satte, var for eksempel å forutsi levetiden til en jetmotor basert på data registrert under drift. "Først av alt satte jeg en ramme for brukssaken, og derfra ledet jeg dem gjennom kvantemaskinlæring som en mulig tilnærming," kommenterte mentor Jarrett Smalley, en av selskapets spesialister innen kvantedatabehandling. "De kom opp med en ny tilnærming som blander noen eksisterende ideer sammen på en ny måte, og det har vært veldig kult å se den utvikle seg fra ingenting til en fungerende modell på bare to dager."
Et annet problem, satt av NHS, utfordret hackerne til å utarbeide en strategi for å tildele pasienter til senger, samtidig som de tok hensyn til ulike begrensninger. "Det er et ekstremt komplekst problem som vanligvis løses av folk på bakken med mye domenekunnskap," forklarte mentor Dan Schofield, en senior dataforsker i NHS Transformation Directorate. "Vi er sannsynligvis noen få skritt unna å ha kvantedatabehandling i NHS, men det har vært veldig interessant å finne ut hvordan kvantetilnærminger kan være i stand til å løse den typen problemer vi ser på."
Hackathonet var det første praktiske arrangementet organisert av NQCC for å bringe sammen kvanteutviklere, sluttbrukere og teknologileverandører for å jobbe med problemer i den virkelige verden. I mai 2022 lanserte sitt SparQ-applikasjonsoppdagelsesprogram, som har som mål å gi sluttbrukere en mulighet til å eksperimentere med kvantealgoritmer og maskinvare for å takle relevante brukstilfeller innenfor deres sektor. "Det handler om å utvide brukerfellesskapet for kvantedatabehandling," sa NQCC-direktør Michael Cuthbert. "Det er ingenting som å kjøre et stykke kode selv, og kjøre det på en ekte kvantedatamaskin, for å engasjere seg i teknologien og forstå dens evner."
[Innebygd innhold]
Cuthbert har blitt oppmuntret av nivået av interesse og engasjement i hackathon. "Vi ble overtegnet for steder, og vi har hatt fantastisk støtte fra våre industripartnere og leverandører av kvanteteknologi," sa han. "Hackerteamene har vært utrolig engasjerte og entusiastiske – noen jobbet med løsningen langt utover natten – og de har jobbet ekstremt effektivt sammen for å komme opp med noen imponerende løsninger på kort tid."
For studentene og forskerne som utgjorde teamene, ga hackathonet en verdifull innsikt i fordelen som kortsiktige kvantealgoritmer kan tilby for industrielle applikasjoner. Maria Violaris, en doktorgradsstudent fra University of Oxford, jobbet med et forfølgelses- og unnvikelsesproblem satt av forsvarsselskapet MBDA. Teamet hennes prøvde å trene et kvantenevralt nettverk for å komme opp med den beste strategien for en jager («monsteret») for å nå målet («prinsessen») på raskest mulig tid – et problem som ikke bare er relevant for forsvarssektoren, men også til andre applikasjoner som trafikkkontroll eller sikkerhetssystemer i museer og kunstgallerier.
"Det har vært veldig bra å ha to dager hvor du er fullt fokusert på ett prosjekt, og å ta en brukssak og koble den tilbake til kvantealgoritmene som kan brukes til å løse problemet," kommenterte Violaris. "Vi har gjort mye fremskritt gitt den korte tidsskalaen, og vi genererte noen lovende resultater da vi testet algoritmen både på en kvantesimulator og på en ekte kvanteprosessor. Det har vært en fin måte å akselerere læring på.»
En slik rask fremgang ble delvis muliggjort av en strukturert tilnærming til lagvalg. NQCCs Chiara Decaroli, som var ansvarlig for å organisere arrangementet, forklarer at potensielle hackere ble bedt om å spesifisere sitt ferdighetsnivå så vel som sin tidligere erfaring med kvanteprogrammering som en del av søknadsprosessen. "Vi opprettet team med folk fra forskjellige disipliner og med en rekke ferdighetssett, inkludert relative nybegynnere i kvantefeltet som visste hvordan de skulle bygge algoritmer eller modeller," forklarte hun. "Teamene var raske til å identifisere hvem av dem som hadde ekspertisen til å utføre hver spesifikke oppgave, og det hadde en enorm innvirkning på resultatene de produserte på veldig kort tid."
Masterstudent Eden Schirman fra Imperial College London følte absolutt fordelen med den tilnærmingen. Han ble tildelt et team som jobbet med THALES for å utvikle en kvantealgoritme for å oppdage anomalier i ekkolodddata registrert av ubåter, som kunne genereres av fiendtlige ubåter eller missiler med en ukjent signatur. "I begynnelsen ba jeg om å bli satt i et team med andre folk fra Imperial, men det var en smart avgjørelse å blande lagene," sa han. «Det har vært bra å samarbeide med nye mennesker, lytte til nye ideer og jobbe med en kvantealgoritme som er relatert til forskningen min, men som ikke er den samme. Det har åpnet tankene mine for nye retninger for utvikling av kvantealgoritmer."
Schirman verdsatte også innspillene fra THALES og de tekniske ekspertene fra IBM. «Vår bransjementor fortalte oss om brukssaken og dataene, samt de klassiske implementeringene og algoritmene som vanligvis brukes, mens to spesialister fra IBM hjalp oss gjennom hele arrangementet med implementeringen og med nye ideer for kvantealgoritmer. Det har vært veldig nyttig å ha tilgang til den kunnskapen og få et annet synspunkt.»
På slutten av hackathonet – bare 30 timer etter at det startet dagen før – presenterte teamene sine løsninger for alle de andre deltakerne, samt for et dommerpanel som inkluderte Cuthbert, Decaroli og kvanteeksperter fra både industri og akademia. "Alle presentasjonene var fantastiske," sa Decaroli. "Kriteria for oss dommere var å se på kreativiteten til løsningen, om teamet hadde undersøkt skalerbarheten til deres tilnærming til kraftigere kvantemaskiner, og hvor godt de presenterte resultatene og svarte på eventuelle spørsmål."
Vinnerteamet, som kalte seg Quassian, hadde jobbet med MDBA på en tilnærming til kvantemaskinlæring for å fremskynde komplekse simuleringer innen romfartsteknikk. Rolls Royce-gruppen veiledet av Smalley ble nummer to, mens tredje gikk til et BT-sponset team som tester forskjellige kvante- og klassiske metoder for å optimalisere ytelsen til 2D-antennearrayer. "Alle presentasjonene demonstrerte enorme mengder arbeid, engasjement og entusiasme de siste par dagene," kommenterte Cuthbert før han overrakte premiene til vinnerlagene. "Du har fått venner og kontakter som vil forbli med deg resten av karrieren din, og jeg håper det bare er starten på engasjementet ditt med kvantedatabehandling og NQCC."
Suksessen til arrangementet baner vei for fremtidige hackathons, mest sannsynlig fokusert på spesifikke industrisektorer for å oppmuntre flere fagfolk i tidlig karriere til å delta. Det gir også NQCC-teamet et nyttig springbrett for sitt pågående engasjement med Storbritannias voksende kvanteøkosystem. "Hackathonet innkapsler alle nøkkelelementene i SparQ, men i mindre skala," sa Decaroli. "Vi kan utvide denne hackathon-malen til langsiktige prosjekter der kvanteutviklere, sluttbrukere og teknologileverandører kan jobbe sammen for å utvikle mer komplekse løsninger og teste dem på flere maskinvareplattformer."
