Toby Cubitt: de ce algoritmii vor accelera aplicațiile computerelor cuantice – Physics World

Calculatoarele cuantice sunt foarte promițătoare pentru că ar putea, cel puțin în principiu, să rezolve anumite probleme care nu pot fi sparte nici măcar de cele mai puternice supercalculatoare convenționale. Dar construirea de biți cuantici sau qubiți – și legarea acestora pentru a crea computere cuantice practice – este o provocare uriașă. În special, computerele cuantice sunt incredibil de zgomotoase, ceea ce introduce rapid erori în calculele cuantice.

De aceea, mulți cercetători dezvoltă algoritmi cuantici inteligenți care pot face calcule utile chiar și pe computerele cuantice mici și zgomotoase de astăzi. O companie care contribuie la acest efort este Phasecraft, care a fost separat de la University College London și de la Universitatea Bristol în 2019. Fizicianul Toby Cubitt, co-fondator și director de tehnologie la Phasecraft, vorbește cu Hamish Johnston despre modul în care aplicațiile din lumea reală ar putea fi chiar după colț.

De ce ați configurat inițial Phasecraft?

Am înființat Phasecraft pentru că calculul cuantic ajungea la punctul în care hardware-ul de calcul cuantic nu mai era doar un sistem de jucărie, ci împingea limitele a ceea ce se putea face pe computerele convenționale. Am vrut să încercăm să dezvoltăm algoritmii necesari pentru a folosi acel hardware din stadiu incipient și a face aplicațiile cuantice în realitate. Este o provocare uriașă din punct de vedere științific, dar fascinantă în care să fii implicat.

Cât de mare este compania în acest moment?

În prezent avem aproximativ 20 de angajați cu normă întreagă, dintre care aproximativ o treime au cunoștințe în calcul cuantic sau teoria informației cuantice, o treime în știința materialelor, materie condensată și chimie și o treime în domeniul calculului. Toți au cunoștințe de calcul cuantic, dar sunt, de asemenea, foarte, foarte buni – și iubesc – să programeze aceste lucruri, să le implementeze și să le facă să funcționeze pe hardware.

Sponsorizăm doctoranzi care se află în locuri precum University College London și University of Bristol, dar care lucrează direct aici, în birourile companiei. Avem, de asemenea, o mulțime de stagiari – atât studenți, cât și doctoranzi. Suntem foarte concentrați pe cercetare și dezvoltare în acest moment. Dar pe măsură ce aplicațiile utile vin online, mă aștept ca lucrurile să devină mult mai comerciale.

Ați spune că software-ul cuantic a fost ignorat în favoarea întregului hype și entuziasmul dezvoltării de noi qubiți și tehnologii de procesoare?

Hardware-ul este extrem de important și merită atenția care i-a fost acordată, implicând, așa cum o face, niște fizică fascinantă, știința materialelor și inginerie. Dar pentru noi, din partea software-ului, totul este să venim cu idei matematice inteligente pentru a face algoritmii mai eficienți și pentru a funcționa pe dispozitivele cuantice la scară mică de astăzi. De fapt, avem mai multe șanse să facem progrese prin algoritmi mai buni decât așteptând îmbunătățiri în hardware.

Chiar dacă hardware-ul cuantic a crescut exponențial, ar putea trece un deceniu până când poți face ceva util cu el. Lucrul la algoritmi nu necesită, de asemenea, criostate scumpe, frigidere cu diluție, heliu lichid sau cipuri – doar o grămadă de oameni cu adevărat inteligenți care gândesc profund, ceea ce avem la Phasecraft. În urmă cu câțiva ani, de exemplu, am dezvoltat algoritmi pentru simularea dinamicii timpului a sistemelor cuantice care erau cu aproximativ șase ordine de mărime mai bune decât cele de la Google și Microsoft.

Procesoarele cuantice sunt zgomotoase, ceea ce înseamnă că își pierd rapid coerența și fac calculele imposibile. Cum dezvoltați algoritmi practici pentru a rula pe dispozitive imperfecte?

Zgomotul și erorile sunt distrugerea tuturor aplicațiilor cuantice de pe hardware real. Au existat câteva îmbunătățiri incredibile la hardware, dar nu putem presupune că computerele cuantice sunt perfecte, așa cum putem face cu dispozitivele clasice. Deci, cu tot ceea ce facem în Phasecraft, trebuie să ne gândim în termeni de computere cuantice imperfecte, zgomotoase, care au erori. Rulați orice calcul și erorile se acumulează atât de repede încât doar scoateți zgomot - date aleatorii - și ați pierdut toate informațiile cuantice.

Pentru a rezolva această problemă, este esențial să faceți algoritmii cât mai eficienți posibil și să îi faceți mai puțin sensibili sau susceptibili la zgomot. Este adevărat că în anii 1990 Peter Shor a dezvoltat conceptul de corectare a erorilor cuantice și teorema pragului tolerant la erori, care arată, teoretic, că chiar și pe computere cuantice zgomotoase, puteți rula calcule de calcul cuantic arbitrar lungi. Dar asta necesită un număr atât de mare de qubiți încât nu putem conta pe aceasta ca o soluție.

Prin urmare, ne concentrăm mai mult pe o problemă de tip inginerie, în care încercăm să înțelegem cum arată zgomotul în detaliu. Cu cât înțelegem mai bine zgomotul, cu atât putem proiecta mai mult în jurul lui, astfel încât să nu afecteze rezultatul. Dar există o mare răsplată, deoarece dacă poți face un algoritm mai puțin complex, poți obține ceva util din aceste calculatoare cuantice zgomotoase. Este o chestiune de proiectare a algoritmilor, astfel încât să putem extrage mai mult din ei.

Adesea spun că calculatoarele cuantice de astăzi sunt acolo unde erau computerele clasice în anii 1950. Pe atunci, oamenilor le place Alan Turing veneau cu idei cu adevărat inteligente despre cum să stoarceți puțin mai mult din hardware-ul primitiv neplăcut și să faceți lucruri incredibile cu el. Acesta este stadiul în care ne aflăm cu calculul cuantic. De fapt, anumiți algoritmi sunt uneori mai potriviți pentru un tip de hardware decât pentru altul.

În ceea ce privește hardware-ul, ce tip de qubiți utilizați în acest moment?

La Phasecraft suntem interesați de toate tipurile de hardware. Cu toate acestea, în mod predominant, folosim circuite qubit supraconductoare, deoarece aceasta este platforma hardware lider în prezent. Dar rulăm și capcane de ioni pe hardware cu atomi rece și ne gândim și la hardware fotonic. Dar nu suntem legați de o anumită platformă.

Phasecraft se concentrează pe algoritmii care calculează proprietățile materialelor. De ce sunt acele aplicații atât de potrivite pentru calculatoarele cuantice timpurii de astăzi?

În industrie, multe companii cheltuiesc mult timp și bani folosind computere clasice, de înaltă performanță, pentru a determina proprietățile materialelor. Problema este că este foarte intens din punct de vedere computațional, așa că ajung să încerce să simplifice problema. Dar pericolul este că poți greși complet lucrurile. De exemplu, puteți ajunge să preziceți că un material este un izolator, când de fapt este un conductor. Poate fi acel nivel de greșeală uneori.

La Phasecraft, ne concentrăm pe modelarea și simularea materialelor, deoarece acele aplicații se află la cea mai apropiată rază de hardware-ul actual. Alte aplicații, precum optimizarea, sunt mai solicitante în ceea ce privește numărul de qubiți și porți de care aveți nevoie. Pe măsură ce hardware-ul se îmbunătățește, simulările de chimie cuantică vor deveni la îndemâna noastră. Sunt mai greu de simulat decât materialele periodice, cristaline, deoarece complexitatea unui algoritm în sistemele moleculare crește ca număr de orbiti de electroni la puterea de patru.

Ne puteți oferi un gust al unor materiale specifice pe care le-ați uitat?

În momentul de față, hardware-ul nu este încă suficient de mare pentru a putea face simulări de materiale reale dincolo de ceea ce se poate face în mod clasic. Deci suntem încă în stadiul în care avem algoritmii, dar nu avem încă hardware-ul pe care să rulăm, deși se apropie. Acestea fiind spuse, tipurile de materiale care sunt ținte bune pentru aplicațiile în stadiu incipient ale calculului cuantic sunt legate de energia curată - materiale pentru baterii, lucruri precum oxizii metalici.

De asemenea, se întâmplă să fie unele în care algoritmii clasici nu funcționează foarte bine, pentru că implică puternic corelate electroni. Același lucru este valabil și pentru fotovoltaice. De fapt, avem un colaborare cu Oxford PV, cu care lucrează fotovoltaice perovskite, unde ne uităm din nou la sistemele de electroni puternic corelate. Aceasta implică simularea dinamică a lucrurilor precum viteza cu care perechile particule-găuri se recombină pentru a emite lumină.

Am examinat, de asemenea, vanadatul de stronțiu, care se întâmplă să aibă o structură de bandă frumoasă, ceea ce înseamnă că se poate potrivi pe un computer cuantic mai mic decât anumite alte materiale. Nu este cel mai mic, dar este un sistem de oxid de metal care este de interes și are nevoie de mai puțini qubiți și mai puține porți decât alți oxizi de metal.

Când crezi că Phasecraft va ajunge la punctul de „avantaj cuantic” în care algoritmii tăi pot rula pe un procesor cuantic și pot calcula lucruri pe care un supercomputer nu le poate face?

Aceasta este întrebarea de un milion de dolari. De fapt, este probabil întrebarea de un miliard de dolari. Industria cuantică trebuie să ajungă în acel punct în care nu doar demonstrează problemele jucăriilor, ci rezolvă problemele din lumea reală pe computerele cuantice.

Sper că nu sună ca tipul care se presupune că a spus odată ar fi vreodată nevoie de trei computere în lume, dar cred cu adevărat că am putea ajunge acolo în următorii doi-trei ani. Aceste întrebări timpurii pot fi de interes științific mai degrabă decât interes industrial - industria ar putea fi puțin dincolo de acest punct. Nu va fi un caz de oprire a clusterelor de calcul de înaltă performanță (HPC) peste noapte și de mutare directă la un computer cuantic. Este mult mai probabil să fie un proces gradual prin care tot mai multe lucruri utile vor veni online. Așa funcționează știința: faci progrese, lovești un obstacol și apoi faci mai multe progrese. Are tendința de a crește.

Progresul depinde de multă muncă grea din partea unor echipe mari de oameni de știință care lucrează cu sârguință timp de mulți ani. Asta se întâmplă în calculul cuantic, iar primele aplicații s-ar putea să nu ajungă în titluri

Atunci când mass-media raportează despre computerele cuantice, ei tind să presupună că descoperiri masive apar din senin de nicăieri. Dar ei nu. Progresul depinde de multă muncă grea din partea unor echipe mari de oameni de știință care lucrează cu sârguință timp de mulți ani. Asta se întâmplă în calculul cuantic, iar primele aplicații s-ar putea să nu ajungă în titluri. Dar oamenii de știință își vor da seama când vom depăși acel prag în care poți face lucruri care sunt imposibile cu computerele convenționale. Nu suntem departe.

Phasecraft a primit recent finanțare privată în valoare de 13 milioane de lire sterline. Ce ai de gând să faci cu banii ăia?

Pentru o companie de algoritmi cuantici ca a noastră, marea majoritate a finanțării se duce pe plata salariilor oamenilor. Personalul nostru este cheia – cel mai valoros activ este echipa noastră. Pentru o companie de hardware este foarte diferit, deoarece hardware-ul este scump. Dar avem nevoie de oameni care să gândească și să codifice, astfel încât banii să ne permită să ne extindem echipa în mod constant.

Avem întotdeauna mai multe idei decât avem resursele de urmărit și, pe măsură ce ne apropiem de implementarea calculelor mari pe computere cuantice, vom extinde echipa. Mai sunt câțiva ani până când vom avea aplicații relevante din punct de vedere comercial, dar când se va întâmpla asta, vom trece printr-un punct de inflexiune și întreaga industrie se va schimba. Suntem mereu dornici să vorbim cu oameni inteligenți care sunt încântați de utilizarea mecanicii cuantice pentru aplicații din lumea reală.

Deci, cum va evolua firma?

Tot ce este nevoie este o idee uimitoare, remarcabilă, care ar putea schimba complet întreaga industrie cuantică. Ne dorim să ne asigurăm că oferim echipei noastre de cercetare spațiul necesar pentru a face acel tip de gândire care ar putea schimba fața în care se îndreaptă compania. Sigur, nu toate ideile vor funcționa – 20 ar putea eșua, dar a 21-a se va dovedi a fi o nouă direcție semnificativă la care nimeni altcineva nu s-a gândit. S-a întâmplat deja de câteva ori la Phasecraft. Cineva se inspiră și apoi se deschide o nouă direcție.

Algoritmii cuantici folosesc inteligent hardware-ul zgomotos

Ne aflăm într-un moment extrem de interesant în calculul cuantic. Sunt încă profesor la UCL, și mai am un grup academic acolo, dar găsesc ambele părți – aplicată și teoretică – la fel de interesante din punct de vedere intelectual. Am teoretizat despre unele subiecte timp de 20 de ani, dar nu am avut niciun instrument pentru a le pune în practică. Acum, totuși, pot să iau această teorie și să o fac realitate. În loc să scriu doar o lucrare, îmi pot rula ideea pe hardware.

Sigur, s-ar putea să nu funcționeze deloc. S-ar putea dovedi că universul real spune: „Nu. Nu este o idee bună." Dar ar putea fi totuși o problemă incredibil de utilă și fascinantă de rezolvat. Așa că partea aplicată a cercetării – aplicarea acestei fizice la tehnologie – mi se pare la fel de fascinantă și interesantă ca și gândirea academică a cerului albastru.

• 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/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/