Mauro Paternostro: o viziune asupra peisajului cuantic – Lumea fizicii

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-caption="Viziunea cuantică Mauro Paternostro. (Cu amabilitatea: Queen's University Belfast)”>

Ne aflăm în mijlocul unei renașteri cuantice, cercetătorii din mediul academic și din industrie luptă cu toții pentru a „câștiga” cursa calculatoarelor cuantice. Piața cuantică este în plină expansiune, cu zeci de companii, mari și mici deopotrivă, care investesc în această tehnologie, susținute de finanțări guvernamentale uriașe de pe tot globul.

Mauro Paternostro, fizician cuantic la Universitatea din Palermo și Queen's University Belfast, este expert în procesarea informațiilor cuantice și în tehnologia cuantică. Lucrând pe bazele subiectului, echipa sa face cercetări de pionierat în optomecanica cavității, comunicarea cuantică și nu numai. De asemenea, este redactor-șef al revistei IOP Publishing Știință și tehnologie cuantică.

În acest interviu amplu, Paternostro vorbește cu Comisariatul Tushna despre părerile sale despre peisajul cuantic – de la „cei patru piloni” ai tehnologiei cuantice și arhitecturilor hibride până la căsătoria promițătoare dintre tehnologia cuantică și inteligența artificială (AI). Paternostro subliniază, de asemenea, necesitatea unei finanțări guvernamentale continue pentru a realiza adevăratul potențial al acestei tehnologii care schimbă lumea.

Am văzut bula cuantică a explodat în ultimul deceniu, dar care sunt potențialele avantaje și riscuri ale expansiunii exponențiale a companiilor de tehnologie cuantică și a finanțării din întreaga lume?

Per total, imaginea este foarte pozitivă. Procesarea cuantică a informațiilor a avut nevoie de un impuls din partea industriei, deoarece firmele pot face eforturi pentru dezvoltările mai pragmatice de care are nevoie domeniul. Perspectiva pe care o oferă industria ajută la modelarea tehnologiilor cuantice într-un mod mai concentrat, atunci când vine vorba de obiectivele generale. Piața în devenire, în explozie – fie că este vorba despre industrie sau mediul academic – este grozavă.

Dar, după cum subliniați, a existat o creștere rapidă. Și, deși acesta este în mare parte un lucru bun, există, de asemenea, un pic de îngrijorare că am putea crea o bulă mare care va izbucni mai devreme decât mai târziu. Deci cred că este o chestiune de control – trebuie să ne reținem oarecum, permițând în același timp zonei de cercetare să crească organic.

Sunt puțin preocupat de numărul de companii mici care par să își dezvolte propriul software cuantic. Produsele lor au foarte puțin de-a face cu algoritmii cuantici adevărați și sunt de obicei soluții de optimizare clasice – care au propriile lor merite. Dar ele nu sunt neapărat ceea ce aș numi un cadru cuantic.

Pe de altă parte, unele companii spin-off sunt mai orientate către implementarea platformelor de procesare cuantică, cum ar fi senzorii cuantici. Acestea sunt cu adevărat interesante, deoarece nu este doar calculul cuantic în joc, ci și alte legi fizice.

Există patru piloni care stau la baza dezvoltării tehnologiei cuantice: calculul cuantic; simulare cuantică; comunicare cuantică; și detecție cuantică și metrologie. Și aș spune că toate patru se dezvoltă într-un mod foarte sănătos.

Detecția cuantică pare a fi una dintre cele mai avansate, împreună cu comunicarea datorită maturității tehnologiilor pe care le pot folosi. În timp ce implicarea industriei este benefică și promițătoare, ar trebui să ne ferim de speculațiile sălbatice și „inflația” care provin din încercarea de a sări într-un autobuz rapid, fără a avea la îndemână tariful complet pentru călătorie.

Și deși sunt adesea sceptic față de companiile mai mici, uneori primești și știri îngrijorătoare de la jucătorii mari. De exemplu, firma chineză de tehnologie Alibaba a avut un interes în dezvoltarea platformelor și soluțiilor de calcul cuantic, până când a decis brusc să-și închidă echipa cuantică internă la sfârșitul anului trecut, declarând că s-ar concentra mai degrabă pe a fi lider în cercetarea AI.

A fost aceasta pur și simplu o decizie de afaceri sau Alibaba miroase a ceva ce nu am simțit încă? Presupun că va trebui să așteptăm și să vedem. În general, cred că viitorul este luminos și implicarea industriei este o veste foarte bună.

Există o serie de tehnologii de calcul cuantic diferite care luptă pentru locul de top – de la ioni prinși și puncte cuantice până la qubiți supraconductori și fotonici. Care crezi că este cel mai probabil să reușească?

Sunt un fel de agnostic, în sensul că nu cred că primul dispozitiv cuantic pe care îl construim va fi complet cuantic. Știu că pentru unii aceasta este o abordare controversată, dar este o părere împărtășită de mulți alții din domeniul meu. Ceea ce cred că vom ajunge este o arhitectură hibridă, unde este cel mai bun calcul performant (HPC) va interfata cu arhitecturile de calcul cuantic.

Poate astea cuantică zgomotoasă la scară intermediară (NISQ) arhitecturilor li se va alătura o arhitectură HPC cu drepturi depline, care le va spori performanța sau invers. Resursele cuantice puse pe masă de acest tip de dispozitiv hibrid vor îmbunătăți performanța pe care o poate produce HPC-ul clasic actual. Cred cu tărie în fezabilitatea acestui tip de arhitectură hibridă – o soluție complet cuantică este încă departe de locul în care ne aflăm acum.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-1.jpg" data-caption="Triumful tehnologiei O napolitană plină de procesoare cuantice de la D-Wave, o companie canadiană de calcul cuantic. (CC BY 2.0 Steve Jurvetson)” title=”Faceți clic pentru a deschide imaginea în pop-up” href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the -cuantic-landscape-physics-world-1.jpg”>

De asemenea, nu sunt pe deplin convins că vom avea capacitatea de a gestiona resursele masive care ar fi necesare pentru a folosi pe deplin decalajul de putere de calcul pe care l-ar oferi un computer cuantic. Un obiectiv pe termen mediu care vizează această arhitectură cuantică HPC hibridă va fi o arhitectură mult mai realistă – și potențial foarte fructuoasă – de urmărit. Sunt ușor optimist că se va întâmpla ceva în viața mea.

Ați menționat că senzorii cuantici sunt deja dezvoltați pentru o mare varietate de aplicații, inclusiv asistența medicală, construcții și chiar măsurarea gravitației. Ce este nou și interesant în acea zonă?

Senzorii cuantici dezvoltă capacități uimitoare pentru a investiga mecanisme care până acum au fost evazive. În esență, acești senzori ne ajută să detectăm mai bine potențialele efecte cuantice ale forțelor precum gravitația, pe care mulți cercetători din Marea Britanie sunt interesați să le urmărească. O parte substanțială a comunității experimentale urmărește aceste obiective – cu hub-ul cuantic al Universității din Birmingham conducând pe acest front.

Nu cred că cineva pretinde că există o platformă experimentală câștigătoare de urmărit – atât atomii reci, cât și optomecanica sunt unele dintre cele mai promițătoare în acest sens. Dar progresul teoretic și experimental pe care acest domeniu le-a realizat este foarte interesant.

Senzorii care pot sonda natura fundamentală a mecanismelor fizice evazive vor fi, cred, o dezvoltare cheie. Și apoi există și alte dispozitive de detectare, cum ar fi accelerometrele sau aparatele de imagine care sunt deja destul de bine stabilite. The Programul Național de Tehnologii Cuantice din Marea Britanie a făcut deja progrese semnificative în acest sens, iar tehnologia este disponibilă și suficient de matură pentru a avea un impact real.

Cred că industriile ar trebui să investească mult în acest domeniu, deoarece, alături de comunicare, senzorul este în fruntea implementărilor tehnologiilor cuantice în această etapă.

Pregătirea scenei pentru o piață cuantică: unde se află afacerile cuantice și cum s-ar putea desfășura

Și cum rămâne cu comunicarea cuantică?

Comunicarea cuantică este probabil cel mai concret exemplu în care progresul academic a fost pus la lucru, în beneficiul țintelor conduse de industrie. A fost un exemplu absolut superb a ceea ce putem realiza atunci când aceste două componente lucrează împreună.

Deși progresul a fost fantastic, există și aspecte controversate, mai ales când luăm în considerare implicațiile geopolitice mai mari ale unei rețele cuantice globale. Problema comunicațiilor și securității datelor va deveni semnificativă, așa că trebuie să luăm în considerare cu atenție implicațiile mai largi ale acestor evoluții tehnologice. Granițele geopolitice se schimbă continuu, iar scopurile lor nu sunt întotdeauna concomitente cu obiectivele științifice.

Care sunt câteva domenii cheie în care AI și tehnologiile cuantice se intersectează? Unde se ajută cel mai bine unul pe altul și care sunt problemele potențiale?

Aceasta este o întrebare foarte importantă. Inutil să spun că Sfântul Graal pentru ambele zone este foarte aproape – atât AI, cât și calculul cuantic se bazează pe dezvoltarea de noi algoritmi. Se aude oameni vorbind despre învățarea automată cuantică (ML) sau AI cuantică, dar nu asta înseamnă cu adevărat. Nu se referă la algoritmi cuantici special conceputi pentru problemele AI sau ML. Ceea ce înseamnă ele este hibridizarea învățării automate clasice sau IA clasică cu probleme cuantice.

Aceste soluții vor depinde de domeniu și de problema pe care încercăm să o abordăm. Dar, în general, ne uităm la tehnicile clasice de procesare a seturilor de date; probleme de optimizare; rezolvarea funcțiilor de cost; și controlul, optimizarea și manipularea problemelor cuantice.

Este foarte promițător, deoarece reunești cele mai bune dintre cele două lumi. Din punct de vedere teoretic, scopul este de a aborda întrebările la nivel general de mecanică cuantică care trebuie abordate și, probabil, problemele mai mari și mai complicate în ceea ce privește scara. Dorim să construim instrumente la nivel algoritmic care să vă permită să faceți față complexității acelor probleme într-o manieră certificabilă și consolidată.

Și lucrul interesant este că experimentele au început să ajungă din urmă cu evoluțiile teoretice. Avem deja o serie de soluții, abordări și metodologii care au fost dezvoltate în acest scenariu hibrid în care ML și procesarea informațiilor cuantice se unesc.

Sper că aceste experimente vor fi investigate pe deplin în următorii câțiva ani și nu vor fi prinși dacă IA și bula cuantică izbucnesc. Mă îndoiesc că acesta ar fi cazul, deoarece AI este aici pentru a rămâne, în timp ce ML este acum un instrument de neratat folosit de analiștii de date din întreaga lume. Dacă avem vreo ambiție de a crește complexitatea problemelor pe care le putem și ar trebui să le abordăm, atunci trebuie să ne concentrăm pe dezvoltarea acestor instrumente.

Ce inițiative noi se desfășoară în acest domeniu?

Mai devreme anul asta, Cercetare și inovare în Marea Britanie (UKRI) a anunțat că finanțează nouă noi centre de cercetare pentru a „furniza tehnologii AI revoluționare” pentru a aborda probleme complexe de la asistență medicală la energie, precum și alte 10 studii pentru a defini „IA responsabilă”. Știu că un număr dintre acestea au o componentă cuantică – în special în domeniul sănătății, unde soluțiile bazate pe inteligența artificială sunt absolut fundamentale, dar pot exista și soluții cuantice.

Așa că sunt foarte optimist când vine vorba de fuziunea dintre AI și tehnologia cuantică, atâta timp cât dezvoltarea unui cadru AI este reglementată. Chiar acum, Comisia Europeană formulează cadrul legal pentru Actul său AI, care va aborda riscurile pe care le-ar putea prezenta IA și rolul global pe care UE speră să îl joace în reglementarea tehnologiei. Atât Marea Britanie, cât și SUA au lucrat deja de ceva vreme la cadre similare, așa că ar trebui să avem o politică și reglementări globale formulate, mai devreme decât mai târziu.

Atâta timp cât această dezvoltare urmează o politică reglementată cu un cadru solid, interacțiunile AI cu tehnologiile cuantice ar trebui să creeze un mecanism de feedback bidirecțional util care va ajuta ambele domenii să crească semnificativ.   

Când vine vorba de finanțarea tehnologiei cuantice de către guverne de pe scena globală, în ce domenii specifice ați dori să vedeți investiții suplimentare?

Granturile mele! Dar pe o notă mai serioasă, investițiile la nivel guvernamental au fost larg răspândite și substanțiale pentru ceea ce este, în esență, încă un domeniu științific în curs de dezvoltare. În comparație cu alte domenii care primesc finanțare științifică, cum ar fi cercetarea militară sau medicală, suma de bani care a fost pusă în farfurie este aproape ridicolă – dar este un lucru foarte bun pentru noi, desigur. Un avantaj al acestui tip de cheltuieli guvernamentale este că ne obligă să formăm o comunitate și să venim cu obiective comune.

Dacă ne referim la cei patru piloni menționați mai sus, există o legătură subiacentă a fizicii fundamentale și dezvoltărilor teoretice. Diferite țări au ales unul sau mai mulți piloni asupra cărora să se concentreze, în funcție de expertiza și resursele lor. SUA se concentrează foarte mult pe calcul. UE este mai răspândită și, prin urmare, situația este mai complexă, dar există investiții majore în comunicații, precum și un interes din ce în ce mai mare pentru simulare, în timp ce o serie de strategii naționale ale UE sunt, de asemenea, axate pe detectare.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-3.jpg" data-caption="Expertiza cuantică Un cercetător de știință cu IBM Quantum în laboratorul cu un sistem cuantic mare construit de firmă. (Cu amabilitatea: IBM)” title=”Faceți clic pentru a deschide imaginea în pop-up” href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum -landscape-physics-world-3.jpg”>

Marea Britanie încearcă, de asemenea, să acopere întregul spectru, dar identificând câteva subiecte foarte bine definite, de la imagistica la calcul și de la comunicare la detecție. Există țări precum Finlanda care au o abordare mai experimentală și se concentrează pe arhitecturile supraconductoare, deoarece au deja la dispoziție facilități uriașe. Singapore, pe de altă parte, dezvoltă o linie foarte puternică de cercetare în comunicarea cuantică bazată pe satelit. Pentru o țară mică, are un potențial uriaș, atât în ​​ceea ce privește talentul, cât și resursele.

Deci diferite țări și-au dezvoltat propria lor zonă de expertiză, într-o manieră organică. Și făcând acest lucru, toți câștigăm ca comunitate – cu toții beneficiem de toate progresele care au fost făcute. Câțiva pași de copil, alți pași mai progresivi, niște salturi cuantice uriașe.

Cred că va fi foarte important ca guvernele, naționale și supernaționale, să realizeze că investițiile în tehnologii cuantice ar trebui să fie susținute. Este o zonă care are nevoie de sprijin continuu și neîntrerupt pentru a-și îndeplini obiectivele înalte. Și noi, ca comunitate științifică, trebuie să proiectăm o imagine coerentă cu același set de obiective, în ciuda oricăror diferențe pe care le avem. Numai atunci vom fi cei mai bine plasați pentru a traduce tehnologiile cuantice în realități care schimbă viața.

În calitate de nou redactor-șef al Știință și tehnologie cuantică (QST), care este viziunea ta pentru jurnal?

Este o mare onoare și sunt absolut flatat, dar este și un efort mare, având în vedere peisajul în evoluție al revistelor cuantice. Ceea ce vreau pentru revista este să mă asigur că QST rămâne una dintre căile preferate pentru depunerea contribuțiilor de top. Dar vreau să ajut și la modelarea manifestului revistei și a obiectivelor sale.

Prima mea prioritate ca redactor-șef a fost, prin urmare, să înființez un comitet executiv care, împreună cu sprijinul consiliului editorial, va modela sfera și misiunea revistei într-un mod clar. Și asta va informa apoi modul în care revista se va dezvolta în următorii câțiva ani, ghidată de comunitatea de cercetare cuantică. În ceea ce privește domeniul de aplicare, aș dori să văd mai multe actualizări experimentale de înaltă calitate, care împinge limitele implementării tehnologiilor cuantice.

IOP Publishing are un acord transformator (TA) cu instituția dumneavoastră, în ceea ce privește publicarea cu acces deschis. Îmi poți spune despre asta?

Cred că a fost un acord care a schimbat jocul în ceea ce privește publicarea rezultatelor noastre. Cu criteriile stricte pe care consiliile de cercetare le-au aplicat rezultatelor susținute de granturi – de la Consiliul de Cercetare în Inginerie și Științe Fizice (EPSRC), de exemplu – și necesitatea ca acestea să fie pe deplin accesibile, iar datele să fie pe deplin disponibile pentru comunitate, avem nevoie de un AT care să garanteze accesul deschis. Este grozav să am liniștea că IOP Publishing este o cale viabilă pentru a putea fi publicate rezultatele mele conforme cu EPSRC.

Pe lângă respectarea finanțării, acordul IOPP elimină sarcina administrativă a gestionării facturilor pentru taxele de publicare a articolelor (APC), ceea ce este o mare ușurare pentru oamenii de știință. Am pledat pentru extinderea inițiativei – prin stabilirea unor acorduri similare cu alte case de editură – dar și pentru a mă asigura că acesta nu este un experiment unic care să dispară în următorul an și ceva. Ar trebui să o facem sistemică pentru modul în care sunt implicate instituțiile din Marea Britanie, dar, în ceea ce mă privește, Europa. Ar trebui să fie încapsulat încă de la început, în modul în care funcționează instituțiile de învățământ superior și institutele de cercetare. Este esențial să ne asigurăm că există o sinergie între edituri și universități sau institute de cercetare.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/