Quantum hackare tacklar verkliga problem

Nio team av forskarstudenter och forskare i tidiga karriärer ställde upp i slutet av juli för att tävla i Storbritanniens första quantum computing hackathon. Arrangerad av National Quantum Computing Center (NQCC) i samarbete med QuantX, utmanade evenemanget teamen att ta fram nya kvantlösningar på problem som ställts av slutanvändare som BT, NHS och Rolls Royce.

I slutet av det två dagar långa evenemanget hade flera team kört sina algoritmer på kvanthårdvara från teknikpartnerna IBM, Oxford Quantum Circuits och AWS. Andra, som hade utvecklat lösningar utöver kapaciteten hos nuvarande kvantprocessorer, testade sina lösningar på kvantsimulatorer, med programmeringsexperter från var och en av teknikleverantörerna till hands för att ge stöd och råd. "Vi har kollat ​​in med teamen under hela evenemanget och hjälpt till med en del av den mer tekniska koden", säger IBM:s Frank Harkins. "En del har en bra vision om vart de ska gå och hur man använder koden, medan för några av de andra har vi hjälpt till med lite av teorin och algoritmerna."

Mentorer från var och en av slutanvändarorganisationerna arbetade också tillsammans med teamen för att erbjuda expertdomänkunskap, förklara sammanhanget för problemet och vägleda hackarna mot potentiella lösningar. Utmaningen som Rolls Royce ställde var till exempel att förutsäga livslängden för en jetmotor baserat på data som registrerats under drift. "Först och främst inramade jag användningsfallet, och därifrån guidade jag dem genom kvantmaskininlärning som ett möjligt tillvägagångssätt", kommenterade mentor Jarrett Smalley, en av företagets specialister på kvantberäkning. "De kom på ett nytt tillvägagångssätt som blandar ihop några befintliga idéer på ett nytt sätt, och det har varit riktigt häftigt att se det utvecklas från ingenting till en fungerande modell på bara två dagar."

Ett annat problem, satt av NHS, utmanade hackarna att utforma en strategi för att fördela patienter till sängar samtidigt som de tog hänsyn till olika begränsningar. "Det är ett extremt komplext problem som vanligtvis utarbetas av människor på plats med mycket domänkunskap," förklarade mentor Dan Schofield, en senior dataforskare inom NHS Transformation Directorate. "Vi är förmodligen några steg från att ha någon kvantberäkning i NHS, men det har varit riktigt intressant att ta reda på hur kvantmetoder kan lösa den typ av problem vi tittar på."

Hackathonet var det första praktiska evenemanget som anordnades av NQCC för att sammanföra kvantutvecklare, slutanvändare och teknikleverantörer för att arbeta med verkliga problem. I maj 2022 lanserade sitt SparQ-program för upptäckt av applikationer, som syftar till att ge slutanvändare en möjlighet att experimentera med kvantalgoritmer och hårdvara för att hantera relevanta användningsfall inom sin sektor. "Det handlar om att utöka användargemenskapen för kvantberäkningar", säger NQCC-chefen Michael Cuthbert. "Det finns inget som att köra en bit kod själv och köra den på en riktig kvantdator för att engagera sig i tekniken och förstå dess möjligheter."

[Inbäddat innehåll]

Cuthbert har blivit uppmuntrad av nivån av intresse och engagemang i hackathon. "Vi var övertecknade för platser, och vi har fått fantastiskt stöd från våra branschpartners och kvantteknikleverantörerna," sa han. "Hackerteamen har varit otroligt engagerade och entusiastiska – några arbetade med sin lösning långt in på natten – och de har arbetat extremt effektivt tillsammans för att komma fram till några imponerande lösningar på kort tid."

För studenterna och forskarna som utgjorde teamen erbjöd hackathon en värdefull inblick i fördelen som kortsiktiga kvantalgoritmer kan erbjuda för industriella tillämpningar. Maria Violaris, en doktorand från University of Oxford, arbetade på ett problem med jakten och undandragande som satts av försvarsföretaget MBDA. Hennes team försökte träna ett kvantneuralt nätverk för att komma på den bästa strategin för en jagare ("monstret") att nå målet ("prinsessan") på snabbast möjliga tid - ett problem som inte bara är relevant för försvarssektorn, men även till andra tillämpningar såsom trafiklednings- eller säkerhetssystem på museer och konsthallar.

"Det har varit riktigt bra att ha två dagar där man är helt fokuserad på ett projekt, och att ta ett användningsfall och koppla tillbaka det till kvantalgoritmerna som kan användas för att lösa problemet", kommenterade Violaris. "Vi har gjort en hel del framsteg med tanke på den korta tidsskalan, och vi genererade några lovande resultat när vi testade algoritmen både på en kvantsimulator och på en riktig kvantprocessor. Det har varit ett bra sätt att påskynda lärandet.”

Sådana snabba framsteg möjliggjordes delvis av ett strukturerat tillvägagångssätt för lagval. NQCC:s Chiara Decaroli, som var ansvarig för att organisera evenemanget, förklarar att potentiella hackare ombads att specificera sin kompetensnivå såväl som sin tidigare erfarenhet av kvantprogrammering som en del av ansökningsprocessen. "Vi skapade team med människor från olika discipliner och med en rad olika färdigheter, inklusive relativa nybörjare inom kvantområdet som visste hur man bygger algoritmer eller modeller," förklarade hon. "Teamen var snabba att identifiera vilka av dem som hade expertis för att utföra varje specifik uppgift, och det hade en enorm inverkan på de resultat de producerade på mycket kort tid."

Masterstudenten Eden Schirman från Imperial College London kände verkligen fördelen med det tillvägagångssättet. Han tilldelades ett team som arbetar med THALES för att utveckla en kvantalgoritm för att upptäcka anomalier i ekolodsdata som registrerats av ubåtar, som kan genereras av fiendens ubåtar eller missiler med en okänd signatur. "I början bad jag om att bli satt i ett team med andra människor från Imperial, men det var ett smart beslut att blanda ihop lagen", sa han. ”Det har varit bra att samarbeta med nya människor, att lyssna på nya idéer och att arbeta med en kvantalgoritm som är relaterad till min forskning men inte samma sak. Det har öppnat mitt sinne för nya riktningar för att utveckla kvantalgoritmer."

Schirman uppskattade också input från THALES och de tekniska experterna från IBM. ”Vår branschmentor berättade för oss om användningsfallet och data, samt de klassiska implementeringarna och algoritmerna som vanligtvis används, medan två specialister från IBM hjälpte oss under hela evenemanget med implementeringen och med nya idéer för kvantalgoritmer. Det har varit väldigt hjälpsamt att ha tillgång till den kunskapen och att få en annan synvinkel.”

I slutet av hackathonet – bara 30 timmar efter att det startade dagen innan – presenterade teamen sina lösningar för alla andra deltagare, såväl som för en domarpanel som inkluderade Cuthbert, Decaroli och kvantexperter från både industri och akademi. "Alla presentationer var fantastiska," sa Decaroli. "Kriteriet för oss domare var att titta på lösningens kreativitet, om teamet hade undersökt skalbarheten i deras tillvägagångssätt för mer kraftfulla kvantmaskiner och hur väl de presenterade sina resultat och svarade på eventuella frågor."

Det vinnande laget, som kallade sig Quassian, hade arbetat med MDBA på en kvantmaskininlärningsmetod för att påskynda komplexa simuleringar inom flygteknik. Rolls Royce-gruppen som mentors av Smalley kom tvåa, medan tredje gick till ett BT-sponsrat team som testade olika kvantmetoder och klassiska metoder för att optimera prestandan hos 2D-antennuppsättningar. "Alla presentationer visade på enorma mängder arbete, engagemang och entusiasm under de senaste dagarna", kommenterade Cuthbert innan han delade ut priserna till de vinnande lagen. "Du har fått vänner och kontakter som kommer att stanna med dig under resten av din karriär, och jag hoppas att det bara är början på ditt engagemang med kvantdatorer och NQCC."

Framgången för evenemanget banar väg för framtida hackathons, troligen inriktade på specifika branschsektorer för att uppmuntra fler yrkesverksamma i tidiga karriärer att delta. Det ger också NQCC-teamet en användbar språngbräda för sitt pågående engagemang i Storbritanniens växande kvantekosystem. "Hackathonet kapslar in alla nyckelelementen i SparQ, men i mindre skala," sa Decaroli. "Vi kan utöka denna hackathon-mall till långsiktiga projekt där kvantutvecklare, slutanvändare och teknikleverantörer kan arbeta tillsammans för att utveckla mer komplexa lösningar och testa dem på flera hårdvaruplattformar."