Сотрудничество обеспечивает катализатор для квантового ускорения

Нобелевская премия по физике 2022 года была отмечена за новаторские эксперименты Алена Аспекта, Джона Клаузера и Антона Цайлингера, которые впервые продемонстрировали потенциал квантовых систем для обработки информации. Спустя несколько десятилетий ученые и инженеры как в промышленности, так и в академических кругах опираются на эти достижения для создания функционирующих квантовых компьютеров, которые дают дразнящий проблеск их потенциала для решения сложных задач в различных приложениях.

Хотя достигнутый на сегодняшний день прогресс впечатляет, требуется еще много работы для создания квантовых компьютеров, которые могут превзойти по производительности свои классические аналоги. Сегодняшние маломасштабные квантовые процессоры теперь увеличивают количество кубитов до диапазона 100–1000, но на них влияют шум и ошибки, которые ограничивают их вычислительные возможности. Масштабирование технологии для достижения широкого квантового преимущества потребует научной изобретательности и инженерных ноу-хау во многих различных дисциплинах, а также тесного сотрудничества между академическим и коммерческим секторами.

В Великобритании это сотрудничество осуществлялось через Национальная программа квантовых технологий (NQTP), инициатива стоимостью 1 миллиард фунтов стерлингов, которая с 2014 года поддерживает технологические центры в области квантового зондирования, визуализации, связи и вычислений. «У нас есть богатая экосистема, которая работает вместе, чтобы ускорить масштабирование квантовых компьютеров для создания полезных приложений», — говорит Эльхам Кашефи, профессор квантовых вычислений в Эдинбургском университете и директор по исследованиям CNRS в Сорбонне в Париже.

Кашефи только что был назначен главным научным сотрудником Британского Национальный центр квантовых вычислений (NQCC), национальный центр, запущенный в 2020 году в качестве флагманской программы NQTP. NQCC стремится ускорить внедрение квантовых вычислений в Великобритании, сотрудничая с исследовательскими группами и коммерческим сектором для решения проблем масштабирования.

«Часть моей роли в NQCC будет заключаться в том, чтобы объединить разработчиков приложений и конечных пользователей, чтобы продвигать разработку полезных устройств», — говорит Кашефи. «Сейчас мы находимся на этапе, когда требования к алгоритмам могут повлиять на конструкцию оборудования, что позволит нам сократить разрыв между желаемым вариантом использования и новой машиной».

Имея опыт работы в области компьютерных наук, Кашефи уже давно выступает за роль программного обеспечения и алгоритмов в разработке квантовых решений. Она координировала программу исследования программного обеспечения в Центр квантовых вычислений и моделирования (QCS), консорциум британских университетов, поддерживаемый NQTP, который занимается критическими научными проблемами квантовых вычислений. Центр был стартовой площадкой для ряда начинающих компаний, отстаивающих различные аппаратные и программные решения, и теперь работает с NQCC над развитием экосистемы квантовых вычислений в Великобритании, переводя сильные стороны исследований в инновационные технологии.

В рамках своей новой роли Кашефи будет работать с NQCC над созданием лаборатории квантового программного обеспечения в Эдинбургском университете, что является основной инициативой, которая еще больше расширит национальный охват программы NQCC. «Проблема масштабируемости, с которой мы сейчас сталкиваемся в связи с физическими кубитами, — это проблема, которую могут помочь решить компьютерные науки и прикладное программное обеспечение», — говорит она. «Мы можем оптимизировать требования к кубитам, совместно разрабатывая программное обеспечение и системы управления для удовлетворения потребностей приложения».

Такая совместная разработка требует междисциплинарного подхода, сочетающего знания в области квантового оборудования и обработки информации с опытом математиков и ученых-компьютерщиков, которые понимают, как решать сложные вычислительные задачи.

«Объединение с богатыми знаниями в области классической информатики позволит нам оптимизировать системную архитектуру и системы управления, а также протоколы для уменьшения и исправления ошибок, чтобы получить наилучшие результаты от аппаратных платформ», — говорит Кашефи. «Например, люди, работающие в области высокопроизводительных вычислений, потратили много времени на выяснение того, как решать проблемы оптимизации, и их вклад поможет ускорить разработку квантовых решений, обеспечивающих вычислительное преимущество».

Одним из многообещающих направлений является разработка гибридных подходов, сочетающих новые квантовые устройства с классической вычислительной инфраструктурой. Например, NQCC является партнером Сотрудничество QuPharma, проект стоимостью 6.8 млн фунтов стерлингов, направленный на радикальное сокращение времени, необходимого для запуска молекулярного моделирования для открытия лекарств.

Под руководством разработчика оборудования SEEQC Великобритания Проект с участием немецкого фармацевтического гиганта Merck KgaA направлен на объединение квантового процессора SEEQC с классическим суперкомпьютером для создания более мощной платформы для разработки лекарств. «Нам нужно понять болевые точки в промышленности, чтобы мы могли преобразовать их в исследовательские проблемы, которые могли бы решить квантовые вычисления», — отмечает Кашефи.

Такие совместные проекты основаны на научном опыте академического сектора Великобритании, который способствовал исследованиям мирового уровня в области квантовой теории, программного обеспечения и алгоритмов, а также экспериментальным работам по изучению всех ведущих архитектур кубитов.

«Как человек, который занимается приложениями и проверкой, я был в восторге от доступа к платформам кубитов, начиная от сверхпроводящих схем и захваченных ионов и заканчивая фотоникой и устройствами на основе кремния», — говорит Кашефи. «Когда мы пишем код, нам нужно знать о возможностях и ограничениях каждой платформы кубитов, поскольку некоторые приложения могут больше подходить для модели шума или подключения, предлагаемых конкретным аппаратным решением».

Развивающаяся квантовая индустрия также выигрывает от сильной научной базы в Великобритании, где многие квантовые стартапы поддерживают тесные связи со своими бывшими исследовательскими группами для продвижения технологий и ускорения своих программ развития.

«Академический сектор действует как фабрика идей», — говорит Дэвид Лукас, главный исследователь QCS Hub и соруководитель группы квантовых вычислений с захваченными ионами в Оксфордском университете. «Масштабирование технологии — это инженерная задача, которая выходит за рамки возможностей одного исследовательского отдела университета». Действительно, одной из ключевых функций NQCC является предоставление инфраструктуры и содействие сотрудничеству, которое потребуется для решения этих инженерных задач.

Эта синергия между промышленностью и академическими кругами была особенно эффективна при разработке платформы Maxwell, коммерческой системы квантовых вычислений на нейтральном атоме, продемонстрированной М в квадрате, разработчик фотоники и квантовых технологий, в Великобритании Национальная выставка квантовых технологий в ноябре 2022 года. Текущая версия системы может поддерживать 100 кубитов, и генеральный директор M Squared Грэм Малкольм говорит, что существует четкий путь к масштабированию технологии до 400 кубитов и выше.

«Для создания Maxwell мы заключили стратегическое партнерство с Университетом Стратклайда, что предоставило нашей компании доступ к прорывной физике мирового уровня», — говорит Малкольм. «Было здорово иметь такой сильный университетский факультет прямо у нашего порога, к которому мы можем обратиться за экспертным опытом, и в то же время мы смогли предоставить инженерные возможности, необходимые для разработки надежного продукта».

Максвелл основан на архитектуре кубита с нейтральным атомом, усовершенствованной Джонатаном Причардом и его исследовательской группой в Стратклайде. Экспериментальная платформа, основанная на базовой лазерной технологии M Squared для манипулирования энергетическими переходами в ультрахолодных атомах, была разработана в рамках партнерства EPSRC Prosperity Partnership под названием Площадь.

«Мы тесно сотрудничали с инженерами по фотонике в M Squared, чтобы оптимизировать производительность лазеров, а в некоторых случаях и разработать новые устройства, адаптированные к конкретным атомным процессам, которые нам нужны», — говорит Притчард. Между тем, развитие коммерческой системы стало возможным благодаря DISCOVERY программа, проект стоимостью 10 миллионов фунтов стерлингов, координируемый M Squared и поддерживаемый программой Innovate UK Quantum Technologies Challenge, направленный на устранение технологических барьеров на пути коммерческих квантовых вычислений.

Одним из следующих шагов сотрудничества будет работа с Эндрю Дейли, экспертом по квантовому моделированию и вычислениям в Университете Стратклайда, над разработкой квантовых алгоритмов, демонстрирующих возможности платформы. В 2021 году исследовательская группа под руководством Гарвардского университета в США показала, что система нейтральных атомов, состоящая из 256 кубитов, может использоваться для моделирования и наблюдения за квантовым поведением систем многих тел, а ранее в этом году команда использовала 289-кубитную систему. версия для продемонстрировать путь к квантовому преимуществу для определенного класса аналоговых квантовых алгоритмов.

«Система, которую мы разработали совместно с Университетом Стратклайда, конкурентоспособна с лучшими в мире квантовыми компьютерами на нейтральных атомах, — говорит Малкольм. «Теперь мы хотим внедрить некоторые из этих алгоритмов в продемонстрированное нами оборудование и установить партнерские отношения, чтобы увидеть, где они могут быть полезны для решения реальных задач».

Необходимость внедрения надежных протоколов сравнительного анализа и сертификации является еще одним важным приоритетом для Kashefi и NQCC. В рамках своей собственной исследовательской программы Кашефи сосредоточилась на разработке инструментов для проверки и тестирования, которые, по ее мнению, помогут ускорить разработку наиболее перспективных технологий.

«Когда появляются новые устройства, нам нужно знать, как их оценивать и сравнивать их производительность с другими платформами», — говорит она. «Надежная система тестирования обеспечивает важную обратную связь, которая позволит нам быстрее перейти к новому режиму».

В 2021 году НКЦК ввел в эксплуатацию Риверлейн, специалисту по квантовым алгоритмам и программному обеспечению, разработать набор тестов для сравнения производительности различных типов квантовых процессоров. Консорциум во главе с Национальной физической лабораторией также исследует ключевые показатели квантовых вычислений с целью разработки открытых стандартов для поддержки международного развития технологий. «NQCC не пытается продвигать какое-либо конкретное аппаратное решение, но возможность сравнивать различные платформы будет очень полезна для стимулирования нашей собственной программы разработки, а также более широкой экосистемы», — говорит Кашефи.

Такой бенчмаркинг также позволит понять, в чем преимущества квантовых решений перед классическими вычислительными архитектурами. «Квантовые вычисления — удивительная и революционная технология, но в конечном счете это просто еще один вычислительный инструмент, — продолжает Кашефи. «Правильный бенчмаркинг позволит нам понять, какие задачи лучше всего подходят для классического компьютера, а какие можно улучшить с помощью квантового решения».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/