Colaborarea oferă un catalizator pentru accelerarea cuantică

Premiul Nobel pentru Fizică din 2022 a recunoscut experimentele de pionierat ale lui Alain Aspect, John Clauser și Anton Zeilinger care au demonstrat pentru prima dată potențialul sistemelor cuantice pentru procesarea informațiilor. Câteva decenii mai târziu, oamenii de știință și ingineri atât din industrie, cât și din mediul academic se bazează pe aceste realizări pentru a crea computere cuantice funcționale, care oferă o imagine tentantă a potențialului lor de a aborda probleme complexe într-o gamă largă de aplicații.

Deși progresul până în prezent a fost impresionant, este nevoie de mult mai multă muncă pentru a crea computere cuantice care să-și poată depăși omoloagele clasice. Procesoarele cuantice la scară mică de astăzi împing numărul de qubiți în intervalul 100-1000, dar sunt afectați de zgomot și erori care le limitează capacitățile de calcul. Extinderea tehnologiei pentru a obține un avantaj cuantic larg va necesita ingeniozitate științifică și cunoștințe de inginerie în multe discipline diferite, precum și o colaborare strânsă între sectoarele academic și comercial.

În Marea Britanie, această colaborare a fost condusă prin intermediul Programul Național de Tehnologii Cuantice (NQTP), o inițiativă de 1 miliard de lire sterline care, din 2014, a sprijinit hub-uri tehnologice în detecție cuantică, imagistică, comunicații și calcul. „Avem un ecosistem bogat care lucrează împreună pentru a impulsiona extinderea computerelor cuantice pentru a oferi aplicații utile”, spune Elham Kashefi, profesor de calcul cuantic la Universitatea din Edinburgh și director de cercetare CNRS la Universitatea Sorbona din Paris.

Kashefi tocmai a fost numit om de știință șef al Marii Britanii Centrul Național de Calcul Cuantic (NQCC), o facilitate națională lansată în 2020 ca program emblematic al NQTP. NQCC își propune să accelereze livrarea de calcul cuantic în Marea Britanie prin parteneriat cu grupuri de cercetare și sectorul comercial pentru a aborda provocările de scalare.

„O parte din rolul meu în cadrul NQCC va fi să adun dezvoltatorii de aplicații și utilizatorii finali pentru a promova dezvoltarea dispozitivelor utile”, spune Kashefi. „Ne aflăm acum în stadiul în care cerințele algoritmilor pot influența proiectarea hardware-ului, permițându-ne să reducem decalajul dintre cazul de utilizare dorit și mașina în curs de dezvoltare.”

Având o experiență în informatică, Kashefi a fost mult timp un susținător al rolului pe care software-ul și algoritmii îl pot juca în dezvoltarea soluțiilor cuantice. Ea a coordonat programul de cercetare software din cadrul Hub de calcul și simulare cuantică (QCS)., un consorțiu de universități din Marea Britanie susținut de NQTP care se concentrează pe provocările științifice critice pentru calculul cuantic. Hub-ul a fost rampa de lansare pentru un număr de companii start-up care susțin diferite soluții hardware și software și acum lucrează cu NQCC pentru a crește ecosistemul de calcul cuantic din Regatul Unit, transpunând punctele forte ale cercetării în tehnologii inovatoare.

Ca parte a noului ei rol, Kashefi va colabora cu NQCC pentru a înființa un laborator de software cuantic la Universitatea din Edinburgh, o inițiativă de bază care va extinde și mai mult amprenta națională a programului NQCC. „Provocarea de scalabilitate cu care ne confruntăm acum cu qubiții fizici este o problemă pe care informatică și aplicațiile software o pot ajuta să o rezolve”, spune ea. „Putem optimiza cerințele pentru qubiți prin co-dezvoltarea software-ului și a sistemelor de control pentru a răspunde nevoilor aplicației.”

O astfel de co-dezvoltare necesită o abordare multidisciplinară care combină cunoștințele hardware-ului cuantic și procesarea informațiilor cu expertiza matematicienilor și informaticienilor care înțeleg cum să abordeze probleme complexe de calcul.

„Conectarea cu bogăția de cunoștințe pe care o avem în informatica clasică ne va permite să optimizăm arhitecturile de sistem și sistemele de control, precum și protocoalele pentru atenuarea și corectarea erorilor, pentru a obține cel mai bun rezultat de la platformele hardware”, spune Kashefi. „De exemplu, oamenii care lucrează în calculul de înaltă performanță au petrecut mult timp să descopere cum să rezolve problemele de optimizare, iar contribuția lor va ajuta la accelerarea dezvoltării soluțiilor cuantice care oferă un avantaj computațional.”

O cale promițătoare este dezvoltarea abordărilor hibride care combină dispozitivele cuantice emergente cu infrastructura de calcul clasică. De exemplu, NQCC este partener în Colaborarea QuPharma, un proiect de 6.8 milioane de lire sterline care își propune să reducă radical timpul necesar rulării simulărilor moleculare pentru descoperirea medicamentelor.

Condus de dezvoltatorul hardware SEEQC Marea Britanie și implicând gigantul farmaceutic german Merck KgaA, proiectul își propune să combine procesorul cuantic al SEEQC cu un supercomputer clasic pentru a crea o platformă mai puternică pentru proiectarea medicamentelor. „Trebuie să înțelegem punctele dureroase din industrie pentru a ne permite să le transpunem în probleme de cercetare pe care calculul cuantic le-ar putea rezolva”, subliniază Kashefi.

Astfel de proiecte de colaborare se bazează pe expertiza științifică adăpostită în sectorul academic al Marii Britanii, care a alimentat cercetări de clasă mondială în teoria cuantică, software și algoritmi, precum și lucrări experimentale care investighează toate arhitecturile de top qubit.

„Ca cineva care se concentrează pe aplicații și verificare, am fost încântat să am acces la platforme qubit, de la circuite supraconductoare și ioni prinși până la fotonică și dispozitive pe bază de siliciu”, spune Kashefi. „Când scriem codul, trebuie să fim conștienți de capacitățile și limitările fiecărei platforme qubit, deoarece unele aplicații pot fi mai potrivite pentru modelul de zgomot sau conectivitatea oferită de o anumită soluție hardware.”

Industria cuantică în curs de dezvoltare beneficiază, de asemenea, de puterea bazei științifice din Regatul Unit, multe start-up-uri cuantice menținând legături strânse cu fostele lor grupuri de cercetare pentru a avansa tehnologia și a-și accelera programele de dezvoltare.

„Sectorul academic acționează ca o fabrică de idei”, spune David Lucas, cercetătorul principal al QCS Hub și co-lider al grupului de calcul cuantic cu ioni prinși de la Universitatea Oxford. „Extinderea tehnologiei este o provocare de inginerie care se extinde dincolo de capacitățile unui singur departament de cercetare universitar.” Într-adevăr, un rol cheie pentru NQCC este de a furniza infrastructura și de a facilita colaborarea care va fi necesară pentru a aborda aceste provocări de inginerie.

Acea sinergia dintre industrie și mediul academic a fost deosebit de eficientă în dezvoltarea platformei Maxwell, un sistem comercial de calcul cuantic cu atom neutru, demonstrat de M pătrat, un dezvoltator de fotonică și tehnologii cuantice, la Marea Britanie Prezentare națională a tehnologiilor cuantice în noiembrie 2022. Versiunea actuală a sistemului poate suporta 100 de qubiți, iar CEO-ul M Squared, Graeme Malcolm, spune că există o cale clară pentru scalarea tehnologiei la 400 de qubiți și mai mult.

„Pentru a crea Maxwell, am format un parteneriat strategic cu Universitatea din Strathclyde, care a oferit companiei noastre acces la fizica inovatoare de clasă mondială”, spune Malcolm. „A fost grozav să avem un departament universitar atât de puternic la ușa noastră, pe care să ne putem baza pentru expertiză de specialitate, în timp ce am reușit să aducem capacitatea de inginerie necesară pentru a dezvolta un produs de încredere.”

Maxwell se bazează pe o arhitectură qubit cu atom neutru, perfecționată de Jonathan Pritchard și echipa sa de cercetare de la Strathclyde. Platforma experimentală, care se bazează pe tehnologia laser de bază a lui M Squared pentru a manipula tranzițiile energetice în atomii ultrareci, a fost dezvoltată printr-un parteneriat de prosperitate EPSRC numit Pătrat.

„Am lucrat îndeaproape cu inginerii fotonici de la M Squared pentru a optimiza performanța laserelor și, în unele cazuri, pentru a proiecta noi dispozitive adaptate proceselor atomice specifice de care avem nevoie”, spune Pritchard. Între timp, dezvoltarea sistemului comercial a fost posibilă de către Descoperirea program, un proiect de 10 milioane de lire sterline coordonat de M Squared și susținut de programul Quantum Technologies Challenge al Innovate UK pentru a aborda barierele tehnologice din calea calculului cuantic comercial.

Unul dintre următorii pași pentru colaborare va fi colaborarea cu Andrew Daley, expert în simulare cuantică și calcul la Universitatea din Strathclyde, pentru a dezvolta algoritmi cuantici care să demonstreze capacitatea platformei. În 2021, o echipă de cercetare condusă de Universitatea Harvard din SUA a arătat că un sistem de atom neutru compus din 256 de qubiți ar putea fi folosit pentru a simula și observa comportamentul cuantic al sistemelor cu mai multe corpuri, iar la începutul acestui an, echipa a folosit un sistem de 289 de qubiți. versiune la demonstrează o cale către avantajul cuantic pentru o anumită clasă de algoritmi cuantici analogici.

„Sistemul pe care l-am dezvoltat împreună cu Universitatea Strathclyde este competitiv cu cele mai bune computere cuantice cu atom neutru din lume”, spune Malcolm. „Acum vrem să punem unii dintre acești algoritmi pe hardware-ul pe care l-am demonstrat și să stabilim parteneriate pentru a vedea unde poate oferi valoare pentru provocările din lumea reală.”

Nevoia de a pune în aplicare protocoale solide de evaluare comparativă și certificare este o altă prioritate importantă pentru Kashefi și NQCC. În cadrul propriului program de cercetare, Kashefi s-a concentrat pe dezvoltarea instrumentelor de verificare și testare, despre care crede că vor ajuta la accelerarea dezvoltării celor mai promițătoare tehnologii.

„Când apar diferite dispozitive, trebuie să știm cum să le evaluăm și cum să le comparăm performanța cu alte platforme”, spune ea. „Un cadru de testare de încredere oferă feedback crucial care ne va permite să trecem mai rapid la un nou regim.”

În 2021, NQCC a pus în funcțiune Riverlane, un specialist în algoritmi și software cuantice, pentru a dezvolta o suită de benchmarking care să permită comparații de performanță între diferite tipuri de procesoare cuantice. Un consorțiu condus de Laboratorul Național de Fizică investighează, de asemenea, parametri cheie pentru calculul cuantic, în vederea dezvoltării standardelor deschise care să sprijine dezvoltarea tehnologiei internaționale. „NQCC nu încearcă să impulsioneze nicio soluție hardware anume, dar posibilitatea de a evalua diferite platforme va fi cu adevărat utilă pentru stimularea propriului program de dezvoltare, precum și a ecosistemului mai larg”, spune Kashefi.

O astfel de evaluare comparativă va face, de asemenea, posibilă înțelegerea unde soluțiile cuantice oferă un avantaj real față de arhitecturile de calcul clasice. „Calculul cuantic este o tehnologie uimitoare și revoluționară, dar în cele din urmă este doar un alt instrument de calcul”, continuă Kashefi. „Evaluarea comparativă adecvată ne va permite să înțelegem care sarcini sunt cele mai potrivite pentru un computer clasic și care pot fi îmbunătățite printr-o soluție cuantică.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/