Sodelovanje zagotavlja katalizator za kvantno pospeševanje

Nobelova nagrada za fiziko leta 2022 je priznala pionirske poskuse Alaina Aspecta, Johna Clauserja in Antona Zeilingerja, ki so prvič pokazali potencial kvantnih sistemov za obdelavo informacij. Nekaj ​​desetletij kasneje znanstveniki in inženirji tako v industriji kot v akademskih krogih gradijo na teh dosežkih, da bi ustvarili delujoče kvantne računalnike, ki ponujajo osupljiv vpogled v njihov potencial za reševanje kompleksnih problemov v različnih aplikacijah.

Medtem ko je bil dosedanji napredek impresiven, je potrebno še veliko dela za ustvarjanje kvantnih računalnikov, ki lahko prekašajo svoje klasične primerke. Današnji kvantni procesorji majhnega obsega zdaj potiskajo število kubitov proti območju 100–1000, vendar nanje vplivajo hrup in napake, ki omejujejo njihove računalniške zmogljivosti. Razširitev tehnologije za doseganje široke kvantne prednosti bo zahtevala znanstveno iznajdljivost in inženirsko znanje v številnih različnih disciplinah ter tesno sodelovanje med akademskim in komercialnim sektorjem.

V Združenem kraljestvu je to sodelovanje potekalo prek Nacionalni program kvantnih tehnologij (NQTP), 1 milijardo GBP vredna pobuda, ki od leta 2014 podpira tehnološka središča na področju kvantnega zaznavanja, slikanja, komunikacij in računalništva. "Imamo bogat ekosistem, ki sodeluje pri spodbujanju povečanja kvantnih računalnikov za zagotavljanje uporabnih aplikacij," pravi Elham Kashefi, profesor kvantnega računalništva na Univerzi v Edinburghu in direktor raziskav CNRS na Univerzi Sorbona v Parizu.

Kashefi je bil pravkar imenovan za glavnega znanstvenika Združenega kraljestva Nacionalni kvantni računski center (NQCC), nacionalni objekt, ki je bil ustanovljen leta 2020 kot vodilni program NQTP. Cilj NQCC je pospešiti zagotavljanje kvantnega računalništva v Združenem kraljestvu s partnerstvom z raziskovalnimi skupinami in komercialnim sektorjem za reševanje izzivov skaliranja.

»Del moje vloge pri NQCC bo združevanje razvijalcev aplikacij in končnih uporabnikov za spodbujanje razvoja uporabnih naprav,« pravi Kashefi. "Zdaj smo na stopnji, ko lahko zahteve glede algoritmov vplivajo na zasnovo strojne opreme, kar nam omogoča, da zapolnimo vrzel med želenim primerom uporabe in nastajajočim strojem."

Kashefi je z izkušnjami iz računalništva že dolgo zagovornik vloge, ki jo lahko igrajo programska oprema in algoritmi pri razvoju kvantnih rešitev. Koordinirala je raziskovalni program programske opreme v okviru Središče za kvantno računalništvo in simulacijo (QCS)., konzorcij univerz v Združenem kraljestvu, ki ga podpira NQTP in se osredotoča na kritične znanstvene izzive za kvantno računalništvo. Središče je bilo lansirna ploščad za številna zagonska podjetja, ki se zavzemajo za različne strojne in programske rešitve, zdaj pa sodeluje z NQCC pri rasti ekosistema kvantnega računalništva v Združenem kraljestvu s prevajanjem raziskovalnih moči v inovativne tehnologije.

Kot del svoje nove vloge bo Kashefi sodelovala z NQCC pri vzpostavitvi Quantum Software Lab na Univerzi v Edinburghu, kar je ključna pobuda, ki bo še razširila nacionalni odtis programa NQCC. »Izziv razširljivosti, s katerim se zdaj soočamo s fizičnimi kubiti, je težava, ki jo lahko pomaga rešiti računalniška znanost in aplikacijska programska oprema,« pravi. "Zahteve za kubite lahko optimiziramo tako, da skupaj razvijamo programsko opremo in nadzorne sisteme, da bi zadostili potrebam aplikacije."

Tak skupni razvoj zahteva multidisciplinarni pristop, ki združuje znanje o kvantni strojni opremi in obdelavi informacij s strokovnim znanjem matematikov in računalničarjev, ki razumejo, kako se spopasti s kompleksnimi računalniškimi problemi.

»Povezovanje z bogastvom znanja, ki ga imamo na področju klasične računalniške znanosti, nam bo omogočilo optimizacijo sistemskih arhitektur in nadzornih sistemov ter protokolov za ublažitev in popravljanje napak, da bi dosegli najboljše rezultate iz platform strojne opreme,« pravi Kashefi. "Na primer, ljudje, ki se ukvarjajo z visokozmogljivim računalništvom, so porabili veliko časa za ugotavljanje, kako rešiti težave z optimizacijo, in njihov prispevek bo pomagal pospešiti razvoj kvantnih rešitev, ki zagotavljajo računalniško prednost."

Ena obetavna pot je razvoj hibridnih pristopov, ki združujejo nastajajoče kvantne naprave s klasično računalniško infrastrukturo. Na primer, NQCC je partner v Sodelovanje QuPharma6.8 milijona funtov vreden projekt, katerega cilj je radikalno skrajšati čas, potreben za izvajanje molekularnih simulacij za odkrivanje zdravil.

Vodi razvijalec strojne opreme SEEQC UK in vključuje nemškega farmacevtskega velikana Merck KgaA, cilj projekta je združiti kvantni procesor SEEQC s klasičnim superračunalnikom, da bi ustvarili zmogljivejšo platformo za načrtovanje zdravil. »Razumeti moramo boleče točke v industriji, da jih lahko prevedemo v raziskovalne probleme, ki bi jih kvantno računalništvo lahko rešilo,« poudarja Kashefi.

Takšni skupni projekti temeljijo na znanstvenih izkušnjah, shranjenih v akademskem sektorju Združenega kraljestva, ki je negoval vrhunske raziskave kvantne teorije, programske opreme in algoritmov ter eksperimentalno delo, ki preiskuje vse vodilne arhitekture qubit.

»Kot nekdo, ki se osredotoča na aplikacije in preverjanje, sem bil navdušen nad dostopom do platform qubit, ki segajo od superprevodnih vezij in ujetih ionov do fotonike in naprav na osnovi silicija,« pravi Kashefi. "Ko pišemo kodo, se moramo zavedati zmogljivosti in omejitev vsake platforme qubit, saj so nekatere aplikacije morda bolj primerne za model šuma ali povezljivost, ki jo ponuja določena strojna rešitev."

Nastajajoča kvantna industrija ima tudi koristi od moči znanstvene baze v Združenem kraljestvu, pri čemer mnoga kvantna zagonska podjetja vzdržujejo tesne povezave s svojimi nekdanjimi raziskovalnimi skupinami, da bi napredovala v tehnologiji in pospeševala svoje razvojne programe.

»Akademski sektor deluje kot tovarna idej,« pravi David Lucas, glavni raziskovalec vozlišča QCS in sovodja skupine za kvantno računalništvo z ujetimi ioni na univerzi Oxford. "Razširitev tehnologije je inženirski izziv, ki presega zmožnosti enega samega univerzitetnega raziskovalnega oddelka." Dejansko je ena ključnih vlog NQCC zagotoviti infrastrukturo in olajšati sodelovanje, ki bo potrebno za reševanje teh inženirskih izzivov.

Ta sinergija med industrijo in akademijo je bila še posebej učinkovita pri razvoju platforme Maxwell, komercialnega kvantnega računalniškega sistema z nevtralnimi atomi, ki ga je dokazal M na kvadrat, razvijalec fotonike in kvantnih tehnologij, v Veliki Britaniji Predstavitev nacionalne kvantne tehnologije novembra 2022. Trenutna različica sistema lahko podpira 100 kubitov in izvršni direktor M Squared Graeme Malcolm pravi, da obstaja jasna pot do povečanja tehnologije na 400 kubitov in več.

»Za ustvarjanje Maxwella smo sklenili strateško partnerstvo z Univerzo Strathclyde, ki je našemu podjetju omogočila dostop do prebojne fizike svetovnega razreda,« pravi Malcolm. "Super je bilo imeti tako močan univerzitetni oddelek tik pred našim pragom, na katerega se lahko obrnemo po strokovno znanje, hkrati pa smo lahko zagotovili inženirske zmogljivosti, potrebne za razvoj zanesljivega izdelka."

Maxwell temelji na arhitekturi kubita nevtralnega atoma, ki so jo izpopolnili Jonathan Pritchard in njegova raziskovalna skupina v Strathclydu. Eksperimentalna platforma, ki temelji na osrednji laserski tehnologiji M Squared za manipulacijo energijskih prehodov v ultrahladnih atomih, je bila razvita prek EPSRC Prosperity Partnership, imenovanega SQuAre.

»Tesno smo sodelovali z inženirji fotonike pri M Squared, da bi optimizirali delovanje laserjev in v nekaterih primerih oblikovali nove naprave, prilagojene specifičnim atomskim procesom, ki jih potrebujemo,« pravi Pritchard. Medtem je razvoj komercialnega sistema omogočila DISCOVERY program, 10 milijonov funtov vreden projekt, ki ga koordinira M Squared in podpira program Quantum Technologies Challenge Innovate UK za odpravljanje tehnoloških ovir za komercialno kvantno računalništvo.

Eden od naslednjih korakov za sodelovanje bo sodelovanje z Andrewom Daleyjem, strokovnjakom za kvantno simulacijo in računalništvo na Univerzi Strathclyde, da bi razvili kvantne algoritme, ki prikazujejo zmogljivost platforme. Leta 2021 je raziskovalna skupina, ki jo je vodila Univerza Harvard v ZDA, pokazala, da bi lahko sistem nevtralnih atomov, sestavljen iz 256 kubitov, uporabili za simulacijo in opazovanje kvantnega vedenja večtelesnih sistemov, v začetku tega leta pa je ekipa uporabila 289-kubitni sistem. različica za pokazati pot do kvantne prednosti za določen razred analognih kvantnih algoritmov.

»Sistem, ki smo ga razvili z univerzo Strathclyde, je konkurenčen najboljšim kvantnim računalnikom z nevtralnimi atomi na svetu,« pravi Malcolm. "Zdaj želimo nekatere od teh algoritmov postaviti na strojno opremo, ki smo jo pokazali, in vzpostaviti partnerstva, da vidimo, kje lahko ponudi vrednost za izzive v resničnem svetu."

Ta potreba po vzpostavitvi zanesljivih protokolov za primerjalno analizo in certificiranje je še ena pomembna prednostna naloga za Kashefi in NQCC. V okviru lastnega raziskovalnega programa se je Kashefijeva osredotočila na razvoj orodij za preverjanje in testiranje, za katera verjame, da bodo pripomogla k hitrejšemu razvoju najbolj obetavnih tehnologij.

»Ko se pojavijo različne naprave, moramo vedeti, kako jih ovrednotiti in kako primerjati njihovo delovanje z drugimi platformami,« pravi. "Zanesljiv okvir testiranja zagotavlja ključne povratne informacije, ki nam bodo omogočile hitrejši prehod na nov režim."

Leta 2021 je bil NQCC naročen Riverlane, specialist za kvantne algoritme in programsko opremo, za razvoj primerjalne zbirke za omogočanje primerjave zmogljivosti med različnimi vrstami kvantnih procesorjev. Konzorcij, ki ga vodi Nacionalni fizikalni laboratorij, prav tako preiskuje ključne metrike za kvantno računalništvo z namenom razvoja odprtih standardov za podporo mednarodnega tehnološkega razvoja. "NQCC ne poskuša spodbujati nobene posebne strojne rešitve, vendar bo možnost primerjanja različnih platform resnično koristna za spodbujanje našega lastnega razvojnega programa kot tudi širšega ekosistema," pravi Kashefi.

Takšna primerjalna analiza bo tudi omogočila razumevanje, kje kvantne rešitve ponujajo resnično prednost pred klasičnimi računalniškimi arhitekturami. "Kvantno računalništvo je neverjetna in revolucionarna tehnologija, a navsezadnje je le še eno računalniško orodje," nadaljuje Kashefi. "Ustrezna primerjalna analiza nam bo omogočila razumeti, katere naloge so najbolj primerne za klasičen računalnik in katere je mogoče izboljšati s kvantno rešitvijo."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/