Samarbete ger en katalysator för kvantacceleration

Nobelpriset i fysik 2022 erkände banbrytande experiment av Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger som för första gången demonstrerade potentialen hos kvantsystem för att bearbeta information. Flera decennier senare bygger forskare och ingenjörer inom både industri och akademi på dessa prestationer för att skapa fungerande kvantdatorer som ger en lockande inblick i deras potential att ta itu med komplexa problem inom en rad tillämpningar.

Även om framstegen hittills har varit imponerande, krävs mycket mer arbete för att skapa kvantdatorer som kan överträffa sina klassiska motsvarigheter. Dagens småskaliga kvantprocessorer pressar nu antalet qubits mot intervallet 100–1000, men de påverkas av brus och fel som begränsar deras beräkningsförmåga. Att skala upp tekniken för att uppnå en bred kvantfördel kommer att kräva vetenskaplig uppfinningsrikedom och ingenjörskunnande över många olika discipliner, samt nära samarbete mellan den akademiska och kommersiella sektorn.

I Storbritannien har detta samarbete drivits genom Nationellt Quantum Technologies-program (NQTP), ett initiativ på 1 miljard pund som sedan 2014 har stöttat teknologinav inom kvantavkänning, bildbehandling, kommunikation och datoranvändning. "Vi har ett rikt ekosystem som arbetar tillsammans för att driva upp skalningen av kvantdatorer för att leverera användbara applikationer", säger Elham Kashefi, professor i kvantberäkning vid University of Edinburgh och CNRS forskningschef vid Sorbonne University i Paris.

Kashefi har precis utsetts till chefsforskare i Storbritannien National Quantum Computing Center (NQCC), en nationell anläggning som lanserades 2020 som ett flaggskeppsprogram för NQTP. NQCC syftar till att påskynda leveransen av kvantdatorer i Storbritannien genom att samarbeta med forskargrupper och den kommersiella sektorn för att hantera skalningsutmaningar.

"En del av min roll med NQCC kommer att vara att sammanföra applikationsutvecklare och slutanvändare för att driva utvecklingen av användbara enheter framåt", säger Kashefi. "Vi är nu i det skede där algoritmkraven kan påverka utformningen av hårdvaran, vilket gör att vi kan stänga gapet mellan det önskade användningsfallet och den nya maskinen."

Med en bakgrund inom datavetenskap har Kashefi länge varit en förespråkare för den roll som mjukvara och algoritmer kan spela för att utveckla kvantlösningar. Hon koordinerade programvaruforskningsprogrammet inom Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, ett konsortium av brittiska universitet som stöds av NQTP som fokuserar på de kritiska vetenskapliga utmaningarna för kvantberäkning. Navet har varit startfältet för ett antal nystartade företag som kämpar för olika hårdvaru- och mjukvarulösningar, och arbetar nu med NQCC för att växa det brittiska kvantberäkningsekosystemet genom att omsätta forskningsstyrkor till innovativ teknik.

Som en del av sin nya roll kommer Kashefi att arbeta med NQCC för att etablera ett Quantum Software Lab vid University of Edinburgh, ett kärninitiativ som ytterligare kommer att utöka det nationella fotavtrycket för NQCC:s program. "Skalbarhetsutmaningen vi nu står inför med de fysiska qubits är ett problem som datavetenskap och applikationsprogram kan hjälpa till att lösa", säger hon. "Vi kan optimera kraven för qubits genom att samutveckla mjukvaran och kontrollsystemen för att möta applikationens behov."

Sådan samutveckling kräver ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt som kombinerar kunskap om kvanthårdvara och informationsbehandling med expertis hos matematiker och datavetare som förstår hur man tacklar komplexa beräkningsproblem.

"Att knyta an till den rikedom av kunskap vi har inom klassisk datavetenskap kommer att göra det möjligt för oss att optimera systemarkitekturer och kontrollsystem, såväl som protokoll för felreducering och korrigering, för att få bästa resultat från hårdvaruplattformarna", säger Kashefi. "Till exempel har människor som arbetar med högpresterande datorer ägnat mycket tid åt att ta reda på hur man löser optimeringsproblem, och deras input kommer att hjälpa till att påskynda utvecklingen av kvantlösningar som ger en beräkningsfördel."

En lovande väg är utvecklingen av hybridmetoder som kombinerar framväxande kvantenheter med klassisk datorinfrastruktur. Som ett exempel är NQCC en partner i QuPharma-samarbete, ett projekt på 6.8 miljoner pund som syftar till att radikalt minska den tid som krävs för att köra molekylära simuleringar för upptäckt av läkemedel.

Leds av hårdvaruutvecklare SEEQC Storbritannien och involverar den tyska läkemedelsjätten Merck KgaA, syftar projektet till att kombinera SEEQC:s kvantprocessor med en klassisk superdator för att skapa en kraftfullare plattform för läkemedelsdesign. "Vi måste förstå smärtpunkterna i industrin för att vi ska kunna översätta dem till forskningsproblem som kvantdatorer kan lösa", påpekar Kashefi.

Sådana samarbetsprojekt bygger på den vetenskapliga expertis som finns inom Storbritanniens akademiska sektor, som har fostrat forskning i världsklass inom kvantteori, mjukvara och algoritmer samt experimentellt arbete med att undersöka alla de ledande qubit-arkitekturerna.

"Som någon som är fokuserad på applikationer och verifiering har jag varit stolt över att ha tillgång till qubit-plattformar som sträcker sig från supraledande kretsar och fångade joner till fotonik och kiselbaserade enheter", säger Kashefi. "När vi skriver koden måste vi vara medvetna om kapaciteten och begränsningarna för varje qubit-plattform, eftersom vissa applikationer kan vara mer lämpade för brusmodellen eller anslutningsmöjligheten som erbjuds av en viss hårdvarulösning."

Den framväxande kvantindustrin drar också nytta av styrkan i den vetenskapliga basen i Storbritannien, med många kvantstart-ups som upprätthåller nära förbindelser med sina tidigare forskargrupper för att avancera tekniken och påskynda sina utvecklingsprogram.

"Den akademiska sektorn fungerar som en idéfabrik", säger David Lucas, chefsutredare för QCS Hub och medledare för kvantberäkningsgruppen för fångade joner vid Oxford University. "Att skala upp tekniken är en ingenjörsutmaning som sträcker sig utöver kapaciteten hos en enskild universitetsforskningsavdelning." En nyckelroll för NQCC är faktiskt att tillhandahålla infrastrukturen och underlätta det samarbete som kommer att behövas för att möta dessa tekniska utmaningar.

Denna synergi mellan industri och akademi har varit särskilt effektiv i utvecklingen av Maxwell-plattformen, ett kommersiellt neutralt-atom kvantberäkningssystem som demonstreras av M Squared, en utvecklare av fotonik och kvantteknik, hos Storbritannien National Quantum Technologies Showcase i november 2022. Den nuvarande versionen av systemet kan stödja 100 qubits, och M Squared VD Graeme Malcolm säger att det finns en tydlig väg att skala tekniken till 400 qubits och mer.

"För att skapa Maxwell bildade vi ett strategiskt partnerskap med University of Strathclyde, vilket har gett vårt företag tillgång till genombrottsfysik i världsklass", säger Malcolm. "Det har varit fantastiskt att ha en så stark universitetsavdelning precis utanför dörren som vi kan luta oss mot för specialistkompetens, samtidigt som vi har kunnat ta med oss ​​den ingenjörsförmåga som behövs för att utveckla en pålitlig produkt."

Maxwell är baserad på en neutral-atom qubit-arkitektur perfektion av Jonathan Pritchard och hans forskargrupp vid Strathclyde. Den experimentella plattformen, som bygger på M Squareds kärnlaserteknologi för att manipulera energiövergångar i ultrakalla atomer, utvecklades genom ett EPSRC Prosperity Partnership kallat Fyrkant.

"Vi arbetade nära fotonikingenjörerna på M Squared för att optimera prestanda hos lasrarna, och i vissa fall för att designa nya enheter skräddarsydda för de specifika atomprocesser vi behöver", säger Pritchard. Under tiden möjliggjordes utvecklingen av det kommersiella systemet av FYND program, ett projekt på 10 miljoner pund som koordineras av M Squared och stöds av Innovate UKs Quantum Technologies Challenge-program för att ta itu med de tekniska hindren för kommersiell kvantberäkning.

Ett av nästa steg för samarbetet blir att arbeta med Andrew Daley, expert på kvantsimulering och beräkningar vid University of Strathclyde, för att utveckla kvantalgoritmer som visar plattformens förmåga. År 2021 visade ett forskarlag under ledning av Harvard University i USA att ett neutralatomsystem bestående av 256 qubits kunde användas för att simulera och observera kvantbeteendet hos många kroppssystem, och tidigare i år använde teamet en 289-qubit version till visa en väg till kvantfördelar för en specifik klass av analoga kvantalgoritmer.

"Systemet vi har utvecklat med University of Strathclyde är konkurrenskraftigt med de bästa kvantdatorerna med neutrala atomer i världen", säger Malcolm. "Nu vill vi lägga några av dessa algoritmer på hårdvaran vi har demonstrerat och etablera partnerskap för att se var den kan erbjuda värde för verkliga utmaningar."

Det behovet av att införa robusta benchmarking- och certifieringsprotokoll är en annan viktig prioritet för Kashefi och NQCC. Inom sitt eget forskningsprogram har Kashefi fokuserat på att utveckla verktyg för verifiering och testning, som hon tror kommer att bidra till att snabba upp utvecklingen av de mest lovande teknologierna.

"När olika enheter dyker upp måste vi veta hur vi ska utvärdera dem och hur vi jämför deras prestanda med andra plattformar", säger hon. "Ett tillförlitligt testramverk ger avgörande feedback som gör att vi snabbare kan övergå till en ny regim."

2021 tog NQCC i bruk Riverlane, en specialist på kvantalgoritmer och mjukvara, för att utveckla en benchmarking-svit för att möjliggöra prestandajämförelser mellan olika typer av kvantprocessorer. Ett konsortium under ledning av National Physical Laboratory undersöker också nyckelmått för kvantberäkning, i syfte att utveckla öppna standarder för att stödja internationell teknikutveckling. "NQCC försöker inte driva någon speciell hårdvarulösning, men att kunna benchmarka olika plattformar kommer att vara väldigt användbart för att stimulera vårt eget utvecklingsprogram såväl som det bredare ekosystemet", säger Kashefi.

Sådan benchmarking kommer också att göra det möjligt att förstå var kvantlösningar erbjuder en verklig fördel jämfört med klassiska datorarkitekturer. "Quantum computing är en fantastisk och revolutionerande teknik, men i slutändan är det bara ytterligare ett beräkningsverktyg", fortsätter Kashefi. "Rätt benchmarking kommer att göra det möjligt för oss att förstå vilka uppgifter som är bäst lämpade för en klassisk dator och vilka som kan förbättras med en kvantlösning."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/