Toby Cubitt: zakaj bodo algoritmi pospešili aplikacije kvantnih računalnikov – Svet fizike

Kvantni računalniki veliko obetajo, saj bi lahko vsaj načeloma rešili določene probleme, ki jih ne morejo vdreti niti najmočnejši klasični superračunalniki. Toda izdelava kvantnih bitov ali kubitov – in njihovo povezovanje v praktične kvantne računalnike – je velik izziv. Predvsem kvantni računalniki so neverjetno hrupni, kar hitro vnese napake v kvantne izračune.

Zato mnogi raziskovalci razvijajo pametne kvantne algoritme, ki lahko izvajajo uporabne izračune tudi na današnjih majhnih, hrupnih kvantnih računalnikih. Eno podjetje, ki prispeva k tem prizadevanjem, je Phasecraft, ki je bila leta 2019 ločena od University College London in Univerze v Bristolu. Fizik Toby Cubitt, soustanovitelj in glavni tehnološki direktor pri Phasecraftu, se pogovarja s Hamishem Johnstonom o tem, kako bi lahko bile aplikacije v resničnem svetu tik za vogalom.

Zakaj ste prvotno ustanovili Phasecraft?

Phasecraft smo ustanovili, ker je kvantno računalništvo dosegalo točko, ko strojna oprema kvantnega računalništva ni bila več le sistem igrač, ampak je premikala meje tega, kar je mogoče storiti na običajnih računalnikih. Želeli smo poskusiti razviti algoritme, potrebne za uporabo te strojne opreme v zgodnji fazi in uresničitev kvantnih aplikacij. To je velik znanstveni izziv, vendar je zanimivo sodelovati.

Kako veliko je podjetje v tem trenutku?

Trenutno imamo okoli 20 redno zaposlenih, od katerih jih ima približno tretjina izkušnje s kvantnim računalništvom ali kvantno informacijsko teorijo, tretjina s področja znanosti o materialih, kondenzirane snovi in ​​kemije ter tretjina s strani računalništva. Vsi poznajo kvantno računalništvo, vendar so tudi zelo, zelo dobri v programiranju teh stvari in jih obožujejo ter izvajajo in pripravljajo, da delujejo na strojni opremi.

Sponzoriramo doktorske študente, ki so na mestih, kot sta University College London in Univerza v Bristolu, vendar delajo neposredno tukaj, v pisarnah podjetja. Imamo tudi veliko pripravnikov – tako dodiplomskih kot doktorskih študentov. Trenutno smo zelo osredotočeni na raziskave in razvoj. Ko pa na spletu prihajajo uporabne aplikacije, pričakujem, da bodo stvari postale veliko bolj komercialne narave.

Bi rekli, da je bila kvantna programska oprema prezrta v korist vsega pompa in navdušenja nad razvojem novih kubitov in procesorskih tehnologij?

Strojna oprema je izjemno pomembna in si zasluži pozornost, ki ji je bila namenjena, saj vključuje nekaj fascinantne fizike, znanosti o materialih in inženiringa. Toda za nas na strani programske opreme je vse v tem, da se domislimo pametnih matematičnih idej, da naredimo algoritme učinkovitejše in delujejo na današnjih majhnih kvantnih napravah v zgodnji fazi. Pravzaprav je bolj verjetno, da bomo napredovali z boljšimi algoritmi kot s čakanjem na izboljšave strojne opreme.

Tudi če bi kvantna strojna oprema eksponentno rasla, bi lahko minilo desetletje, preden bi lahko z njo naredili kaj koristnega. Delo na algoritmih prav tako ne zahteva dragih kriostatov, hladilnikov za redčenje, tekočega helija ali čipov – le kup res pametnih ljudi, ki globoko razmišljajo, kar imamo pri Phasecraftu. Pred nekaj leti smo na primer razvili algoritme za simulacijo časovne dinamike kvantnih sistemov, ki so bili približno šest razredov velikosti boljši od tistih iz Googla in Microsofta.

Kvantni procesorji so hrupni, kar pomeni, da hitro izgubijo koherenco in onemogočijo izračune. Kako razvijete praktične algoritme za delovanje na nepopolnih napravah?

Hrup in napake so poguba vseh kvantnih aplikacij na resnični strojni opremi. Bilo je nekaj neverjetnih izboljšav strojne opreme, vendar ne moremo domnevati, da so kvantni računalniki popolni, kot lahko s klasičnimi napravami. Torej moramo pri vsem, kar počnemo v Phasecraftu, razmišljati v smislu nepopolnih, hrupnih kvantnih računalnikov, ki imajo napake. Zaženite kakršen koli izračun in napake se bodo kopičile tako hitro, da boste dobili le šum – naključne podatke – in izgubili ste vse kvantne informacije.

Da bi rešili to težavo, je ključnega pomena, da so algoritmi čim bolj učinkoviti in manj občutljivi ali dovzetni za hrup. Res je, da v devetdesetih letih 1990 Peter Šor razvil koncept kvantne korekcije napak in izrek o pragu, odporen na napake, ki teoretično kaže, da lahko tudi na hrupnih kvantnih računalnikih izvajate poljubno dolge kvantne računske izračune. Toda to zahteva tako ogromno število kubitov, da na to ne moremo računati kot na rešitev.

Naš fokus je torej bolj inženirski problem, kjer poskušamo podrobno razumeti, kako izgleda hrup. Bolje kot lahko razumemo hrup, bolj ga lahko oblikujemo okoli njega, da ne vpliva na rezultat. Vendar obstaja velik izkupiček, ker če lahko naredite algoritem manj zapleten, lahko dobite nekaj uporabnega iz teh hrupnih kvantnih računalnikov. Gre za oblikovanje algoritmov, da lahko iz njih iztisnemo več.

Pogosto rečem, da so današnji kvantni računalniki tam, kjer so bili klasični računalniki v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Takrat so ljudje radi Alan Turing so se domislili res pametnih idej, kako iz okorne primitivne strojne opreme iztisniti nekaj več in z njo dejansko narediti neverjetne stvari. To je stopnja, na kateri smo s kvantnim računalništvom. Pravzaprav so nekateri algoritmi včasih bolj primerni za eno vrsto strojne opreme kot za drugo.

Kar zadeva strojno opremo, katero vrsto kubitov trenutno uporabljate?

Pri Phasecraftu nas zanimajo vse vrste strojne opreme. V glavnem pa uporabljamo superprevodna vezja qubit, ker je to trenutno vodilna strojna platforma. Vendar uporabljamo ionske pasti tudi na strojni opremi s hladnimi atomi in razmišljamo tudi o fotonski strojni opremi. Vendar nismo vezani na eno določeno platformo.

Phasecraft se osredotoča na algoritme, ki izračunavajo lastnosti materiala. Zakaj so te aplikacije tako primerne za današnje zgodnje kvantne računalnike?

V industriji veliko podjetij porabi veliko časa in denarja za uporabo klasičnih, visoko zmogljivih računalnikov za določanje lastnosti materialov. Težava je v tem, da je računsko zelo zahteven, tako da na koncu poskušajo problem poenostaviti. Toda nevarnost je, da lahko stvari naredite povsem narobe. Na primer, lahko na koncu predvidevate, da je material izolator, čeprav je v resnici prevodnik. Včasih je lahko taka stopnja napake.

Pri Phasecraftu se osredotočamo na modeliranje in simulacijo materialov, ker so te aplikacije v najbližjem dosegu trenutne strojne opreme. Druge aplikacije, kot je optimizacija, so bolj zahtevne glede števila kubitov in vrat, ki jih potrebujete. Ko se strojna oprema izboljšuje, nam bodo dosegljive simulacije kvantne kemije. Težje jih je simulirati kot periodične, kristalne materiale, ker se kompleksnost algoritma v molekularnih sistemih meri kot število elektronskih orbital na potenco štiri.

Nam lahko poskusite nekaj posebnih materialov, ki ste si jih ogledali?

Trenutno strojna oprema še ni dovolj velika, da bi lahko delala simulacije realnih materialov, ki presegajo klasično. Torej smo še vedno na stopnji, ko imamo algoritme, vendar še nimamo povsem strojne opreme, na kateri bi delovali, čeprav se približuje. Ob tem so vrste materialov, ki so dobre tarče za aplikacije kvantnega računalništva v zgodnji fazi, povezane s čisto energijo – baterijski materiali, stvari, kot so kovinski oksidi.

Zgodi se tudi, da klasični algoritmi ne delujejo dobro, ker vključujejo močno korelirano elektroni. Enako velja za fotovoltaiko. Pravzaprav imamo a sodelovanje z Oxford PV, ki sodeluje z perovskitne fotovoltaike, kjer spet gledamo na močno korelirane elektronske sisteme. To vključuje dinamično simulacijo stvari, kot je hitrost, pri kateri se pari delcev in lukenj rekombinirajo, da oddajajo svetlobo.

Preučili smo tudi stroncijev vanadat, ki ima lepo pasovno strukturo, kar pomeni, da se lahko prilega manjšemu kvantnemu računalniku kot nekateri drugi materiali. Ni najmanjši, vendar je sistem kovinskega oksida, ki je zanimiv in potrebuje manj kubitov in manj vrat kot drugi kovinski oksidi.

Kdaj mislite, da bo Phasecraft dosegel točko "kvantne prednosti", ko bodo vaši algoritmi lahko delovali na kvantnem procesorju in lahko izračunali stvari, ki jih superračunalnik ne more?

To je vprašanje za milijon dolarjev. Pravzaprav je to verjetno vprašanje za milijardo dolarjev. Kvantna industrija mora priti do te točke, ko ne bo le prikazovala problemov z igračami, temveč reševala probleme iz resničnega sveta na kvantnih računalnikih.

Upam, da ne zvenim kot tip, ki menda nekoč rekel na svetu bi bili kdaj potrebni samo trije računalniki, vendar resnično mislim, da bomo to lahko dosegli v naslednjih dveh do treh letih. Ta zgodnja vprašanja so morda bolj znanstvenega kot industrijskega interesa – industrija je morda malo čez to točko. Ne bo šlo za primer, ko boste čez noč izklopili svoje visokozmogljive računalniške gruče (HPC) in se premaknili naravnost na kvantni računalnik. Veliko bolj verjetno je, da bo šlo za postopen proces, pri katerem bo na spletu prišlo vedno več uporabnih stvari. Tako deluje znanost: napredujete, naletite na oviro in nato še napredujete. Nagiba se k zaskočevanju.

Napredek je odvisen od trdega dela velikih skupin znanstvenikov, ki marljivo delajo več let. To se dogaja v kvantnem računalništvu in prve aplikacije morda ne bodo prišle na naslovnice

Ko širši mediji poročajo o kvantnih računalnikih, se nagibajo k domnevi, da se ogromni preboji pojavijo kot nenadoma. Ampak ne. Napredek je odvisen od trdega dela velikih skupin znanstvenikov, ki marljivo delajo več let. To se dogaja v kvantnem računalništvu in prve aplikacije morda ne bodo prišle na naslovnice. Toda znanstveniki bodo spoznali, ko bomo presegli ta prag, ko lahko počnete stvari, ki so s konvencionalnimi računalniki nemogoče. Nismo daleč.

Phasecraft je nedavno prejel 13 milijonov funtov zasebnega financiranja. Kaj nameravate narediti s tem denarjem?

Za podjetje s kvantnimi algoritmi, kot je naše, gre velika večina financiranja za plače ljudi. Naše osebje je ključno – naše najbolj dragoceno bogastvo je naša ekipa. Za strojno podjetje je zelo drugače, ker je strojna oprema draga. Vendar potrebujemo ljudi, ki razmišljajo in kodirajo, da nam bo denar omogočil stalno širitev naše ekipe.

Vedno imamo več idej, kot imamo sredstev za uresničitev, in ko se bomo približevali izvajanju velikih izračunov na kvantnih računalnikih, bomo ekipo povečali. Še nekaj let bo minilo, preden bomo imeli komercialno pomembne aplikacije, a ko se bo to zgodilo, bomo šli skozi prelomno točko in celotna industrija se bo spremenila. Vedno se radi pogovarjamo s pametnimi ljudmi, ki so navdušeni nad uporabo kvantne mehanike za aplikacije v resničnem svetu.

Kako se bo torej podjetje razvijalo?

Vse, kar potrebujete, je ena neverjetna, izjemna ideja, ki bi lahko popolnoma spremenila celotno kvantno industrijo. Želimo zagotoviti, da naši raziskovalni skupini omogočimo prostor za takšno modro razmišljanje, ki bi lahko spremenilo podobo podjetja. Vse zamisli seveda ne bodo delovale – 20 jih bo morda spodletelo, 21. pa se bo izkazala za pomembno novo smer, na katero nihče drug ni pomislil. To se je že nekajkrat zgodilo v Phasecraftu. Nekdo dobi navdih in potem se odpre nova smer.

Kvantni algoritmi pametno uporabljajo hrupno strojno opremo

Smo v zelo razburljivem času kvantnega računalništva. Sem še vedno profesor na UCL, in še vedno imam akademska skupina tam, vendar se mi zdita obe strani – aplikativna in teoretična – enako intelektualno zanimivi. O nekaterih temah sem teoretiziral 20 let, vendar nisem imel nobenega orodja, da bi jih prenesel v prakso. Zdaj pa lahko vzamem to teorijo in jo uresničim. Namesto samo pisanja prispevka, lahko svojo idejo izvedem na strojni opremi.

Seveda, morda sploh ne bo delovalo. Lahko se izkaže, da resnično vesolje pravi: »Ne. To ni dobra ideja.« Toda še vedno bi lahko bila izjemno uporabna in fascinantna težava, ki bi se je bilo treba lotiti. In tako se mi zdi uporabna stran raziskave – uporaba te fizike v tehnologiji – prav tako fascinantna in zanimiva kot modro nebo akademsko razmišljanje.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/