Samarbete formar prioritering inom DESYs kvantekosystem – Physics World

Samarbete formar prioritering inom DESYs kvantekosystem – Physics World

Tidsstämpel: 19 februari 2024 4:33

Det tyska forskningskraftverket DESY gjorde sitt namn inom högenergifysik, men Center for Quantum Technology and Applications (CQTA) syftar till att utöka – och förstärka – labbets insatser inom kvantvetenskap. Chef för CQTA Karl Jansen pratar med Joe McEntee om betydelsen av FoU-partnerskap i centrets långsiktiga affärsmodell

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/collaboration-shapes-prioritization-within-desys-quantum-ecosystem-physics-world.jpg" data-caption="Kvantmångfald CQTA-forskare förser akademiska, industri- och regeringspartners med specialiststöd inom kvantberäkning och kvantavkänning. Teamet består för närvarande av tre anställda, en projektkoordinator, tre postdoktorer och nio doktorander. (Courtesy: DESY)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/collaboration-shapes-prioritization-within-desys-quantum-ecosystem -physics-world.jpg">CQTA-forskare
Kvantmångfald CQTA-forskare förser akademiska, industri- och regeringspartners med specialiststöd inom kvantberäkning och kvantavkänning. Teamet består för närvarande av tre anställda, en projektkoordinator, tre postdoktorer och nio doktorander. (Med tillstånd: DESY)

Som ett tyskt nationellt laboratorium med rötter i fysik, och ett av världens ledande acceleratorforskningscentra, faller DESY:s vetenskapliga ansträngningar under fyra huvudteman: partikelfysik, fotonvetenskap, astropartikelfysik och acceleratorfysik. Dessa kompletterande forskningsvägar, som eftersträvas med ett nätverk av nationella och internationella partners, innebär att DESY lockar mer än 3000 40 gästforskare från över XNUMX länder varje år. Laboratoriet är också ett eftertraktat FoU-nav för industrin, dess ledande experimentanläggningar erbjuder ett unikt tillägg till innovationspipelinen för Europas små och medelstora företag såväl som etablerade teknikföretag.

CQTA-teamet är här för att hjälpa industri-, akademiska och statliga partners att formulera sina problem på ett sådant sätt att de kan köras på en kvantdator

Den utåtriktade arbetsmodellen ligger till grund för en begynnande FoU-strävan som försöker bygga vidare på DESYs kapacitet inom kvantvetenskap och teknik. Målet: att stödja labbets mångsidiga högenergifysikprogram, samtidigt som det möjliggör alla möjliga nedströmseffekter i industriella och kommersiella tillämpningar. Dessa ansträngningar kanaliseras genom Centre for Quantum Technology and Applications (CQTA), etablerat på DESYs campus Zeuthen i utkanten av Berlin med 15 miljoner euro i startfinansiering från delstaten Brandenburg.

En quantum QUEST på Cypern

Tidigare i år tilldelades Karl Jansen, chef för DESY:s CQTA, en akademisk ordförande på 2.5 miljoner euro från European Research Executive Agency (REA), ett pan-europeiskt finansieringsorgan för forskning och innovation. Jansen, DESY:s första REA-ordförande, kommer att använda finansieringen för att etablera ett nytt forskningscenter för kvantberäkning vid Cyperninstitutet.

Laboratoriet Quantum Computing for Excellence in Science and Technology (QUEST), som ligger i utkanten av Nicosia, kommer att vara helt kopplat till CQTA-forskningsprogrammet vid DESY i Zeuthen. Det gemensamma målet: att förbättra forskningskapaciteten på Cypern genom att skapa ett regionalt spetsforskningscentrum för kvantberäkningsforskning och -utveckling, vilket i sin tur lockar kvantforskare och ingenjörer på hög nivå till östra Medelhavet.

"Som REA-ordförande för QUEST", säger Jansen, "jobbar jag med kollegor på Cyperninstitutet för att etablera en kvantgrupp bestående av en docent samt flera postdoktorer och doktorander. En annan QUEST-prioritet är att tillhandahålla praktisk utbildning för studenter som är intresserade av att göra en forskarkarriär inom kvantvetenskap och teknik."

CQTA, som lanserades i januari 2022, försöker utnyttja DESYs grundläggande vetenskapsprogram inom kvantberäkning, kvantmaterial och kvantavkänning. "DESY har inrättat en arbetsgrupp för kvantteknologi för att koordinera sin kvant-FoU-insats, med CQTA som en samlingspunkt för operativ implementering av kvantberäkning och kvantavkänning", säger Karl Jansen, chef för CQTA och professor i fysik vid DESY. "Vår portfölj av aktiviteter på CQTA breddas hela tiden och vad vi hoppas på som ett resultat är att identifiera användningsfall där vi tydligt kan leverera "kvantfördelar" genom kvantberäkningsmetoder."

Kvantfördelar inom vetenskap

När det gäller operativa prioriteringar löper CQTA:s uppdrag längs flera huvudspår: utveckla kvantalgoritmer och metoder; underlätta tillgången till kvantberäkningshårdvara för DESYs forsknings- och industripartners; benchmarking, testning och verifiering av kvanthårdvara; och köra ett kvantmetrologiprogram som använder fångade-jonklockor för att söka efter "ny fysik" bortom standardmodellen. Det finns också ett anpassat träningsprogram på gång för att tillgodose nybörjare som vill förstå grunderna i kvantberäkningar, samt rikta in sig på avancerade utövare inom forskning och industri.

Framstegen är uppmuntrande, med flaggskepps-CQTA-projekt som redan är på gång till stöd för DESY:s kärnfysikprogram. Laser Und XFEL Experiment (LUXE), till exempel, är ett forskningssamarbete mellan DESY-forskare och deras motsvarigheter vid European X-ray Free Electron Laser (Eu.XFEL) i Hamburg för att studera kvantelektrodynamik (QED) processer vid so- kallas "stark fältgräns" (undersöker i huvudsak interaktionerna mellan en högintensiv optisk laser och 16.5 GeV elektronstrålen från Eu.XFEL).

<a data-fancybox data-src="https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/2024-02-BSQA-DESY-Jansen_Karl.jpg" data-caption="Karl Jansen "De kvantalgoritmer och metoder vi har utvecklat för tillämpningar inom högenergifysik är överförbara till många industriella problem - och vice versa." (Courtesy: DESY)” title=”Klicka för att öppna bilden i popup” href=”https://physicsworld.com/wp-content/uploads/2024/02/2024-02-BSQA-DESY-Jansen_Karl.jpg”>Karl Jansen
Karl Jansen "De kvantalgoritmer och metoder vi har utvecklat för tillämpningar inom högenergifysik är överförbara till många industriella problem - och vice versa." (Med tillstånd: DESY)

CQTA-forskare, å sin sida, genomför proof-of-principle-studier inom LUXE, och distribuerar kvanthårdvara för att undersöka användningen av grindbaserade kvantdatorer för mönsterigenkänning i partikelspårrekonstruktion. Förhoppningen är att kvantalgoritmer och metoder som utvecklats inom LUXE ska kunna överföras till experiment vid andra högenergifysikanläggningar, vilket hjälper forskare att bearbeta enorma mängder data på ett mer effektivt sätt.

Ett annat aktivt undersökningsområde är inverkan av brus i kvantalgoritmer. "Dagens kvantdatorer är väldigt bullriga", säger Jansen, "men det bruset kan vara till hjälp om en algoritm "fastnar" i ett hörn av parameterutrymmet." Att lägga till lite brus kan med andra ord driva bort en algoritm från ett felaktigt resultat mot den sökta lösningen (även om för mycket brus innebär att ingen lösning hittas alls). "Vad vi letar efter i varje enskilt fall är "sweet-spot" och den optimala mängden buller, tillägger Jansen.

Kvantfördelar i industrin

Samtidigt utses kvantdatorer redan som en "störare" inom en rad industriella tillämpningar, inklusive upptäckt och utveckling av läkemedel, logistikoptimering och finansiell modellering. En fallstudie i detta avseende är ett FoU-samarbete mellan forskare vid CQTA och Forschungszentrum Jülich, ett annat tyskt nationellt forskningsinstitut, som tittar på "flight-gate-assignment-problemet" på flygplatser – och specifikt, hur man kan maximera anslutning och schemaläggning mellan inkommande och utgående flyg.

Med hjälp av data från en operativ flygplats försöker CQTA-Jülich-teamet reta ut dolda samband med kvantberäkning och på så sätt lösa dessa problem snabbare och mer effektivt. Den större bilden här är att den matematiska beskrivningen och lösningen av portuppdragsproblemet även kan appliceras på andra intresseområden för industri och myndigheter, inklusive trafikledning, flotta logistiktjänster och publikkontroll vid stora sportevenemang. "Det som är intressant", konstaterar Jansen, "är att de kvantalgoritmer och metoder vi har utvecklat för tillämpningar inom högenergifysik är överförbara till många industriella problem - och vice versa. "

Något överraskande involverar ett annat aktivt område av CQTA-studier vetenskapliga, tekniska och konstnärliga tillämpningar av kvantberäkning i musik. Det finns ett växande intresse här kring de kreativa och kommersiella möjligheterna för musiker och producenter, vilket framgår av det andra internationella symposiet om kvantberäkning och musikalisk kreativitet, som hölls i Berlin i oktober 2023 (och samarrangerat av CQTA och University of Plymouth, STORBRITANNIEN). "När vi har fått tillräckligt med erfarenhet på CQTA," säger Jansen, "är visionen att bygga en kvantsynt så att musiker som inte har någon aning om kvantberäkning kan använda instrumentet för att skapa helt nya ljud."

Investera i partnerskap

Trots CQTA:s operativa framsteg under de senaste två åren har Jansen och kollegor också arbetat för att förbättra CQTA:s erbjudande till ett mer strategiskt
nivå. Faktum är att CQTA accepterades förra året som ett IBM Quantum Innovation Center, vilket öppnade för tillgång till ett globalt FoU-nätverk av Fortune 500-företag, nystartade företag, universitet och nationella forskningslabb, som alla arbetar med IBM för att främja kvantberäkningstekniker och applikationer. IBM-bindningen är dubbelt betydande med tanke på att CQTA positionerar sig som en leverantör av specialiserade tekniska konsulttjänster och faciliteringstjänster för allt som rör kvantum.

DESY har inrättat en arbetsgrupp för kvantteknologi för att koordinera sin kvant-FoU-insats, med CQTA som en samlingspunkt för kvantberäkning och kvantavkänning

"CQTA-teamet är här för att hjälpa industri-, akademiska och statliga partners att formulera sina problem matematiskt på ett sådant sätt att de kan köras på en kvantdator", konstaterar Jansen. "Vårt nära samarbete med IBM innebär att vi, i förlängningen, kan förmedla avgiftsbaserad åtkomst för tredje parter till IBMs banbrytande kvanthårdvara och mjukvara - och packa upp komplexa vetenskapliga och tekniska problem via kvantberäkning."

Att ökad synlighet och erkännande fungerar även i andra avseenden – inte minst, CQTA:s roll som en "kvantaccelerator" och regionalt nav i delstaten Brandenburg, där lokala myndigheter har för avsikt att skapa en globalt betydelsefull bas för kvantteknologier i slutet av årtiondet. "Just nu", säger Jansen, "handlar allt om att koppla samman relevanta intressenter i Brandenburg-regionen och utforska gemensamma initiativ – att bygga upp kvantarbetskraften, till exempel, såväl som tillämpad forskning och innovationsnätverk."

Medan CQTA-forskare och ingenjörer fortsätter att utforska nya tillämpningar för kvantberäkning, letar Jansen redan efter en hållbar långsiktig affärsmodell för initiativet, som för närvarande finansieras av delstatsregeringen i Brandenburg, det tyska federala utbildnings- och forskningsministeriet (BMBF) ), Europeiska unionens Horizon-program och ett nätverk av industripartners. 

"Byggstenarna i CQTA:s affärsplan är mycket under arbete", avslutar Jansen, "med tonvikt på FoU-samarbete, tillämpad vetenskaplig rådgivning och, mer än troligt, en pivot mot teknisk översättning och spin-out av kommersiellt nystartade företag.”

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden