การทำงานร่วมกันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเร่งควอนตัม

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2022 ยกย่องการทดลองที่บุกเบิกโดย Alain Aspect, John Clauser และ Anton Zeilinger ว่าเป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของระบบควอนตัมสำหรับการประมวลผลข้อมูล หลายทศวรรษต่อมา นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทั้งในอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษาต่างต่อยอดจากความสำเร็จเหล่านี้เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้ซึ่งนำเสนอให้เห็นถึงศักยภาพอันน่าดึงดูดใจในการจัดการกับปัญหาที่ซับซ้อนในแอพพลิเคชั่นต่างๆ

แม้ว่าความคืบหน้าจนถึงปัจจุบันจะน่าประทับใจ แต่ก็ยังต้องการการทำงานอีกมากเพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถทำงานได้ดีกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก โปรเซสเซอร์ควอนตัมสเกลขนาดเล็กในปัจจุบันกำลังเพิ่มจำนวนของ qubits ไปที่ช่วง 100–1000 แต่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนและข้อผิดพลาดที่จำกัดความสามารถในการคำนวณ การปรับขนาดเทคโนโลยีเพื่อให้บรรลุความได้เปรียบเชิงควอนตัมในวงกว้างจะใช้ความเฉลียวฉลาดทางวิทยาศาสตร์และความรู้ด้านวิศวกรรมในสาขาวิชาต่างๆ มากมาย เช่นเดียวกับการทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดระหว่างภาควิชาการและภาคการค้า

ในสหราชอาณาจักรนั้นมีการผลักดันความร่วมมือผ่าน โครงการเทคโนโลยีควอนตัมแห่งชาติ (NQTP) ซึ่งเป็นโครงการริเริ่มมูลค่า 1 พันล้านปอนด์ ซึ่งตั้งแต่ปี 2014 ได้สนับสนุนฮับเทคโนโลยีในการตรวจจับควอนตัม การสร้างภาพ การสื่อสาร และคอมพิวเตอร์ Elham Kashefi ศาสตราจารย์ด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยเอดินบะระและผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของ CNRS แห่งมหาวิทยาลัยซอร์บอนน์ในปารีส กล่าวว่า "เรามีระบบนิเวศที่สมบูรณ์ซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อผลักดันการขยายขนาดคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อมอบแอปพลิเคชันที่มีประโยชน์"

Kashefi เพิ่งได้รับการแต่งตั้งให้เป็นหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของสหราชอาณาจักร ศูนย์คอมพิวเตอร์ควอนตัมแห่งชาติ (NQCC) ซึ่งเป็นโรงงานระดับชาติที่เปิดตัวในปี 2020 ในฐานะโครงการหลักสำหรับ NQTP NQCC ตั้งเป้าที่จะเร่งการส่งมอบคอมพิวเตอร์ควอนตัมในสหราชอาณาจักรโดยร่วมมือกับกลุ่มวิจัยและภาคการค้าเพื่อจัดการกับความท้าทายในการขยายขนาด

“ส่วนหนึ่งของบทบาทของฉันกับ NQCC คือการรวบรวมนักพัฒนาแอปพลิเคชันและผู้ใช้ปลายทางเพื่อผลักดันการพัฒนาอุปกรณ์ที่มีประโยชน์” Kashefi กล่าว “ตอนนี้เราอยู่ในขั้นตอนที่ข้อกำหนดของอัลกอริธึมสามารถมีอิทธิพลต่อการออกแบบฮาร์ดแวร์ ทำให้เราสามารถปิดช่องว่างระหว่างกรณีการใช้งานที่ต้องการกับเครื่องจักรที่เกิดขึ้นใหม่ได้”

ด้วยพื้นฐานด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์ Kashefi เป็นผู้สนับสนุนมานานสำหรับบทบาทที่ซอฟต์แวร์และอัลกอริทึมสามารถมีบทบาทในการพัฒนาโซลูชันควอนตัม เธอเป็นผู้ประสานงานโครงการวิจัยซอฟต์แวร์ภายใน ควอนตัมคอมพิวเตอร์และการจำลอง (QCS) Hubซึ่งเป็นกลุ่มมหาวิทยาลัยในสหราชอาณาจักรที่ได้รับการสนับสนุนจาก NQTP ซึ่งมุ่งเน้นไปที่ความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญสำหรับการคำนวณด้วยควอนตัม ฮับดังกล่าวเป็นฐานเปิดตัวสำหรับบริษัทสตาร์ทอัพหลายแห่งที่สนับสนุนโซลูชันฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่แตกต่างกัน และขณะนี้ทำงานร่วมกับ NQCC เพื่อขยายระบบนิเวศคอมพิวเตอร์ควอนตัมของสหราชอาณาจักรโดยการแปลจุดแข็งด้านการวิจัยเป็นเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่

ในฐานะส่วนหนึ่งของบทบาทใหม่ของเธอ Kashefi จะทำงานร่วมกับ NQCC เพื่อจัดตั้ง Quantum Software Lab ที่มหาวิทยาลัยเอดินบะระ ซึ่งเป็นความคิดริเริ่มหลักที่จะขยายการดำเนินงานระดับชาติของโครงการของ NQCC ต่อไป “ความท้าทายด้านความสามารถในการปรับขนาดที่เรากำลังเผชิญกับคิวบิตจริงเป็นปัญหาที่วิทยาการคอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์แอปพลิเคชันสามารถช่วยแก้ไขได้” เธอกล่าว “เราสามารถปรับแต่งข้อกำหนดสำหรับ qubits ได้โดยการพัฒนาซอฟต์แวร์และระบบควบคุมร่วมกันเพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชัน”

การพัฒนาร่วมกันดังกล่าวต้องการแนวทางแบบสหสาขาวิชาชีพที่รวมความรู้ด้านฮาร์ดแวร์ควอนตัมและการประมวลผลข้อมูลเข้ากับความเชี่ยวชาญของนักคณิตศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่เข้าใจวิธีจัดการกับปัญหาการคำนวณที่ซับซ้อน

“การเชื่อมต่อกับความรู้มากมายที่เรามีในวิทยาการคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะช่วยให้เราสามารถปรับแต่งสถาปัตยกรรมระบบและระบบควบคุม ตลอดจนโปรโตคอลสำหรับการลดและแก้ไขข้อผิดพลาด เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจากแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์” Kashefi กล่าว “ตัวอย่างเช่น คนที่ทำงานในการประมวลผลประสิทธิภาพสูงใช้เวลามากมายในการหาวิธีแก้ไขปัญหาการปรับให้เหมาะสม และข้อมูลที่ป้อนเข้ามาจะช่วยเร่งการพัฒนาโซลูชันควอนตัมที่มอบความได้เปรียบด้านการคำนวณ”

ช่องทางหนึ่งที่มีแนวโน้มดีคือการพัฒนาวิธีการแบบผสมผสานที่รวมอุปกรณ์ควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่เข้ากับโครงสร้างพื้นฐานคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก ตัวอย่างเช่น คปภ. เป็นหุ้นส่วนใน การทำงานร่วมกันของ QuPharmaซึ่งเป็นโครงการมูลค่า 6.8 ล้านปอนด์ที่มีเป้าหมายเพื่อลดเวลาที่จำเป็นอย่างมากในการเรียกใช้การจำลองระดับโมเลกุลสำหรับการค้นพบยา

นำโดยผู้พัฒนาฮาร์ดแวร์ SEEQC สหราชอาณาจักร และความเกี่ยวข้องกับ Merck KgaA ยักษ์ใหญ่ด้านเภสัชกรรมของเยอรมัน โครงการนี้มีเป้าหมายที่จะรวมโปรเซสเซอร์ควอนตัมของ SEEQC เข้ากับซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมเพื่อสร้างแพลตฟอร์มที่ทรงพลังยิ่งขึ้นสำหรับการออกแบบยา “เราจำเป็นต้องเข้าใจ Pain point ในอุตสาหกรรม เพื่อให้สามารถแปลปัญหาเหล่านั้นให้กลายเป็นปัญหาการวิจัยที่ Quantum Computing สามารถแก้ไขได้” Kashefi ชี้ให้เห็น

โครงการความร่วมมือดังกล่าวดึงเอาความเชี่ยวชาญทางวิทยาศาสตร์ที่มีอยู่ในภาคการศึกษาของสหราชอาณาจักร ซึ่งได้หล่อเลี้ยงการวิจัยระดับโลกในด้านทฤษฎีควอนตัม ซอฟต์แวร์ และอัลกอริทึม ตลอดจนงานทดลองที่ตรวจสอบสถาปัตยกรรมควิบิตชั้นนำทั้งหมด

Kashefi กล่าวว่า "ในฐานะคนที่ให้ความสำคัญกับแอปพลิเคชันและการตรวจสอบความถูกต้อง ฉันตื่นเต้นมากที่สามารถเข้าถึงแพลตฟอร์ม qubit ได้ตั้งแต่วงจรตัวนำยิ่งยวดและไอออนที่ติดอยู่ไปจนถึงโฟโตนิกส์และอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอน" Kashefi กล่าว “เมื่อเราเขียนโค้ด เราจำเป็นต้องตระหนักถึงความสามารถและข้อจำกัดของแต่ละแพลตฟอร์ม qubit เนื่องจากบางแอปพลิเคชันอาจเหมาะกับรูปแบบเสียงรบกวนหรือการเชื่อมต่อที่นำเสนอโดยโซลูชันฮาร์ดแวร์เฉพาะ”

อุตสาหกรรมควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่ยังได้รับประโยชน์จากความแข็งแกร่งของฐานวิทยาศาสตร์ในสหราชอาณาจักร โดยสตาร์ทอัพควอนตัมจำนวนมากยังคงเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับกลุ่มวิจัยเดิมเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีและเร่งโครงการพัฒนาของพวกเขา

David Lucas ผู้ตรวจสอบหลักของ QCS Hub และหัวหน้าร่วมของกลุ่มควอนตัมคอมพิวเตอร์ดักจับไอออนที่มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดกล่าวว่า "ภาควิชาการทำหน้าที่เป็นโรงงานความคิด" “การปรับขนาดเทคโนโลยีเป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมที่เกินขีดความสามารถของแผนกวิจัยของมหาวิทยาลัยเพียงแห่งเดียว” แท้จริงแล้ว บทบาทสำคัญประการหนึ่งของ NQCC คือการจัดหาโครงสร้างพื้นฐานและอำนวยความสะดวกในการทำงานร่วมกันซึ่งจำเป็นสำหรับการจัดการกับความท้าทายด้านวิศวกรรมเหล่านี้

การทำงานร่วมกันระหว่างอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษานั้นมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการพัฒนาแพลตฟอร์ม Maxwell ซึ่งเป็นระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมที่เป็นกลางในเชิงพาณิชย์ที่แสดงให้เห็นโดย เอ็มกำลังสองผู้พัฒนาเทคโนโลยีโฟโตนิกส์และควอนตัมในสหราชอาณาจักร ตู้โชว์เทคโนโลยีควอนตัมแห่งชาติ ในเดือนพฤศจิกายน 2022 ระบบเวอร์ชันปัจจุบันสามารถรองรับ 100 qubits และ Graeme Malcolm CEO ของ M Squared กล่าวว่ามีเส้นทางที่ชัดเจนในการปรับขนาดเทคโนโลยีเป็น 400 qubits และสูงกว่านั้น

“เพื่อสร้าง Maxwell เราได้เป็นพันธมิตรเชิงกลยุทธ์กับ University of Strathclyde ซึ่งทำให้บริษัทของเราสามารถเข้าถึงฟิสิกส์ที่ก้าวล้ำระดับโลกได้” Malcolm กล่าว “เป็นเรื่องดีที่มีหน่วยงานของมหาวิทยาลัยที่แข็งแกร่งอยู่ใกล้แค่เอื้อม ทำให้เราสามารถพึ่งพาผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้านได้ ในขณะที่เราสามารถนำความสามารถด้านวิศวกรรมที่จำเป็นมาพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้”

Maxwell อิงตามสถาปัตยกรรม qubit ที่เป็นกลางอะตอมที่สมบูรณ์แบบโดย Jonathan Pritchard และทีมวิจัยของเขาที่ Strathclyde แพลตฟอร์มการทดลองซึ่งอาศัยเทคโนโลยีเลเซอร์หลักของ M Squared เพื่อควบคุมการเปลี่ยนผ่านของพลังงานในอะตอมที่เย็นจัด ได้รับการพัฒนาผ่าน EPSRC Prosperity Partnership ที่เรียกว่า สี่เหลี่ยม.

“เราทำงานอย่างใกล้ชิดกับวิศวกรโฟโตนิกส์ที่ M Squared เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเลเซอร์ และในบางกรณีก็เพื่อออกแบบอุปกรณ์ใหม่ที่ปรับให้เหมาะกับกระบวนการปรมาณูเฉพาะที่เราต้องการ” พริทชาร์ดกล่าว ในขณะเดียวกันการพัฒนาระบบการค้าก็เปิดใช้งานโดย DISCOVERY โครงการซึ่งเป็นโครงการมูลค่า 10 ล้านปอนด์ที่ประสานงานโดย M Squared และสนับสนุนโดยโครงการ Quantum Technologies Challenge ของ Innovate UK เพื่อจัดการกับอุปสรรคด้านเทคโนโลยีในการประมวลผลควอนตัมเชิงพาณิชย์

หนึ่งในขั้นตอนต่อไปสำหรับการทำงานร่วมกันคือการทำงานร่วมกับ Andrew Daley ผู้เชี่ยวชาญด้านการจำลองควอนตัมและการคำนวณที่มหาวิทยาลัย Strathclyde เพื่อพัฒนาอัลกอริทึมควอนตัมที่แสดงให้เห็นถึงความสามารถของแพลตฟอร์ม ในปี 2021 ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่าระบบอะตอมที่เป็นกลางประกอบด้วย 256 คิวบิตสามารถใช้จำลองและสังเกตพฤติกรรมควอนตัมของระบบต่างๆ ในร่างกายได้ และเมื่อต้นปีนี้ ทีมงานได้ใช้ 289 คิวบิต รุ่นถึง แสดงให้เห็นถึงเส้นทางสู่ความได้เปรียบทางควอนตัม สำหรับอัลกอริทึมควอนตัมอะนาล็อกคลาสเฉพาะ

“ระบบที่เราพัฒนาร่วมกับมหาวิทยาลัย Strathclyde สามารถแข่งขันกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมที่เป็นกลางที่ดีที่สุดในโลกได้” Malcolm กล่าว “ตอนนี้เราต้องการใส่อัลกอริธึมเหล่านั้นลงในฮาร์ดแวร์ที่เราได้สาธิตและสร้างความร่วมมือเพื่อดูว่าสามารถให้คุณค่ากับความท้าทายในโลกแห่งความเป็นจริงได้ที่ไหน”

ซึ่งจำเป็นต้องมีเกณฑ์มาตรฐานและโปรโตคอลการรับรองที่มีประสิทธิภาพถือเป็นอีกหนึ่งความสำคัญที่สำคัญสำหรับ Kashefi และ NQCC ภายในโปรแกรมการวิจัยของเธอเอง Kashefi ได้มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเครื่องมือสำหรับการตรวจสอบและทดสอบ ซึ่งเธอเชื่อว่าจะช่วยติดตามการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดได้อย่างรวดเร็ว

“เมื่ออุปกรณ์ต่างๆ ออกมา เราจำเป็นต้องรู้วิธีประเมินและวิธีเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับแพลตฟอร์มอื่นๆ” เธอกล่าว “กรอบการทดสอบที่เชื่อถือได้ให้ข้อเสนอแนะที่สำคัญซึ่งจะช่วยให้เราสามารถเปลี่ยนไปใช้ระบอบการปกครองใหม่ได้รวดเร็วยิ่งขึ้น”

ในปี 2021 คณะกรรมการ ป.ป.ช ริเวอร์เลนซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญในควอนตัมอัลกอริทึมและซอฟต์แวร์ เพื่อพัฒนาชุดการเปรียบเทียบเพื่อเปิดใช้งานการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของโปรเซสเซอร์ควอนตัมประเภทต่างๆ สมาคมที่นำโดย National Physical Laboratory กำลังตรวจสอบเมตริกหลักสำหรับควอนตัมคอมพิวติ้ง โดยมีเป้าหมายในการพัฒนามาตรฐานเปิดเพื่อสนับสนุนการพัฒนาเทคโนโลยีระหว่างประเทศ “NQCC ไม่ได้พยายามผลักดันโซลูชันฮาร์ดแวร์ใด ๆ โดยเฉพาะ แต่ความสามารถในการเปรียบเทียบแพลตฟอร์มที่แตกต่างกันจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการกระตุ้นโครงการพัฒนาของเราเองรวมถึงระบบนิเวศที่กว้างขึ้น” Kashefi กล่าว

การเปรียบเทียบดังกล่าวยังช่วยให้เข้าใจได้ว่าโซลูชันควอนตัมมีข้อได้เปรียบเหนือสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกตรงไหน “ควอนตัมคอมพิวติ้งเป็นเทคโนโลยีที่น่าอัศจรรย์และปฏิวัติวงการ แต่ท้ายที่สุด มันก็เป็นเพียงเครื่องมือการคำนวณอีกชนิดหนึ่ง” Kashefi กล่าวต่อ “การวัดประสิทธิภาพที่เหมาะสมจะช่วยให้เราเข้าใจว่างานใดเหมาะสมที่สุดสำหรับคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม และงานใดสามารถปรับปรุงได้ด้วยโซลูชันควอนตัม”

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/