İşbirliği, kuantum ivmesi için katalizör sağlar

2022 Nobel Fizik Ödülü, Alain Aspect, John Clauser ve Anton Zeilinger'in kuantum sistemlerinin bilgi işleme potansiyelini ilk kez gösteren öncü deneylerini tanıdı. Birkaç on yıl sonra, hem endüstrideki hem de akademideki bilim adamları ve mühendisler, çeşitli uygulamalardaki karmaşık sorunların üstesinden gelme potansiyellerine dair heyecan verici bir bakış sunan işleyen kuantum bilgisayarlar yaratmak için bu başarıların üzerine inşa ediyorlar.

Bugüne kadarki ilerleme etkileyici olsa da, klasik muadillerinden daha iyi performans gösterebilen kuantum bilgisayarları oluşturmak için çok daha fazla çalışmaya ihtiyaç var. Günümüzün küçük ölçekli kuantum işlemcileri artık kübit sayısını 100-1000 aralığına doğru itiyor, ancak hesaplama yeteneklerini sınırlayan gürültü ve hatalardan etkileniyorlar. Kapsamlı bir kuantum avantajı elde etmek için teknolojiyi ölçeklendirmek, akademik ve ticari sektörler arasındaki yakın işbirliğinin yanı sıra birçok farklı disiplinde bilimsel ustalık ve mühendislik bilgisi gerektirecektir.

Birleşik Krallık'ta bu işbirliği, Ulusal Kuantum Teknolojileri Programı (NQTP), 1'ten beri kuantum algılama, görüntüleme, iletişim ve bilgi işlem teknoloji merkezlerini destekleyen 2014 milyar sterlinlik bir girişim. Edinburgh Üniversitesi'nde kuantum hesaplama profesörü ve Paris'teki Sorbonne Üniversitesi'nde CNRS araştırma direktörü Elham Kashefi, "Kullanışlı uygulamalar sunmak için kuantum bilgisayarların ölçeğini büyütmek için birlikte çalışan zengin bir ekosisteme sahibiz" diyor.

Kashefi, Birleşik Krallık'ın Baş Bilim İnsanı olarak atandı. Ulusal Kuantum Hesaplama Merkezi (NQCC), 2020'de NQTP'nin amiral gemisi programı olarak başlatılan ulusal bir tesis. NQCC, ölçeklendirme zorluklarını ele almak için araştırma grupları ve ticari sektörle ortaklık kurarak Birleşik Krallık'ta kuantum bilişimin sunumunu hızlandırmayı hedefliyor.

Kashefi, "NQCC'deki rolümün bir kısmı, kullanışlı cihazların geliştirilmesini ilerletmek için uygulama geliştiricileri ve son kullanıcıları bir araya getirmek olacak" diyor. "Artık, algoritma gereksinimlerinin donanımın tasarımını etkileyebileceği ve istenen kullanım durumu ile ortaya çıkan makine arasındaki boşluğu kapatmamıza izin verebileceği aşamadayız."

Bilgisayar bilimlerinde bir geçmişe sahip olan Kashefi, uzun süredir yazılımın ve algoritmaların kuantum çözümleri geliştirmede oynayabileceği rolün savunucusu olmuştur. Yazılım araştırma programının koordinatörlüğünü yaptı. Kuantum Hesaplama ve Simülasyon (QCS) Merkezi, kuantum hesaplama için kritik bilimsel zorluklara odaklanan NQTP tarafından desteklenen Birleşik Krallık üniversitelerinden oluşan bir konsorsiyum. Merkez, farklı donanım ve yazılım çözümlerini destekleyen bir dizi yeni şirket için fırlatma rampası olmuştur ve şimdi, araştırma güçlerini yenilikçi teknolojilere çevirerek Birleşik Krallık kuantum bilgi işlem ekosistemini büyütmek için NQCC ile birlikte çalışmaktadır.

Yeni görevinin bir parçası olarak Kashefi, NQCC programının ulusal ayak izini daha da genişletecek temel bir girişim olan Edinburgh Üniversitesi'nde bir Kuantum Yazılım Laboratuvarı kurmak için NQCC ile birlikte çalışacak. "Fiziksel kübitlerle şu anda karşı karşıya olduğumuz ölçeklenebilirlik sorunu, bilgisayar bilimi ve uygulama yazılımlarının çözmeye yardımcı olabileceği bir sorundur" diyor. "Uygulamanın ihtiyaçlarını karşılamak için yazılım ve kontrol sistemlerini birlikte geliştirerek kübitlerin gereksinimlerini optimize edebiliriz."

Bu tür bir ortak geliştirme, kuantum donanımı ve bilgi işleme bilgisini karmaşık hesaplama problemlerinin nasıl üstesinden gelineceğini anlayan matematikçilerin ve bilgisayar bilimcilerin uzmanlığıyla birleştiren çok disiplinli bir yaklaşımı gerektirir.

Kashefi, "Klasik bilgisayar biliminde sahip olduğumuz bilgi zenginliğiyle bağlantı kurmak, donanım platformlarından en iyi sonucu elde etmek için sistem mimarilerini ve kontrol sistemlerini ve ayrıca hata azaltma ve düzeltme protokollerini optimize etmemizi sağlayacaktır" diyor. "Örneğin, yüksek performanslı bilgi işlemde çalışan insanlar, optimizasyon problemlerini nasıl çözeceklerini bulmak için çok zaman harcadılar ve onların girdileri, hesaplama avantajı sağlayan kuantum çözümlerinin gelişimini hızlandırmaya yardımcı olacak."

Gelecek vaat eden bir yol, ortaya çıkan kuantum cihazlarını klasik bilgi işlem altyapısıyla birleştiren hibrit yaklaşımların geliştirilmesidir. Örnek olarak, NQCC, QuPharma işbirliği, ilaç keşfi için moleküler simülasyonları çalıştırmak için gereken süreyi radikal bir şekilde azaltmayı amaçlayan 6.8 milyon sterlinlik bir proje.

Donanım geliştiricisi liderliğinde SEEQC İngiltere ve Alman ilaç devi Merck KgaA'nın dahil olduğu proje, SEEQC'nin kuantum işlemcisini klasik bir süper bilgisayarla birleştirerek ilaç tasarımı için daha güçlü bir platform oluşturmayı amaçlıyor. Kashefi, "Endüstrideki sıkıntılı noktaları, onları kuantum hesaplamanın çözebileceği araştırma problemlerine çevirebilmemiz için anlamamız gerekiyor" diye belirtiyor.

Bu tür işbirlikçi projeler, kuantum teorisi, yazılım ve algoritmalarda birinci sınıf araştırmaların yanı sıra tüm önde gelen qubit mimarilerini araştıran deneysel çalışmaları besleyen Birleşik Krallık'ın akademik sektöründe barındırılan bilimsel uzmanlığa dayanmaktadır.

Kashefi, "Uygulamalara ve doğrulamaya odaklanan biri olarak, süper iletken devreler ve hapsedilmiş iyonlardan fotonik ve silikon tabanlı cihazlara kadar uzanan kübit platformlarına erişebildiğim için heyecanlandım" diyor. "Kodu yazarken, bazı uygulamalar belirli bir donanım çözümünün sunduğu gürültü modeline veya bağlantıya daha uygun olabileceğinden, her bir qubit platformunun yeteneklerinin ve sınırlamalarının farkında olmamız gerekiyor."

Gelişmekte olan kuantum endüstrisi, teknolojiyi ilerletmek ve geliştirme programlarını hızlandırmak için eski araştırma gruplarıyla yakın bağları koruyan birçok kuantum start-up'ı ile Birleşik Krallık'taki bilim üssünün gücünden de yararlanıyor.

QCS Hub'ın baş araştırmacısı ve Oxford Üniversitesi'nde tuzaklanmış iyon kuantum hesaplama grubunun eş lideri David Lucas, "Akademik sektör bir fikir fabrikası gibi hareket ediyor" diyor. "Teknolojiyi ölçeklendirmek, tek bir üniversite araştırma departmanının yeteneklerinin ötesine geçen bir mühendislik zorluğudur." Aslında, NQCC'nin kilit rollerinden biri, bu mühendislik zorluklarını ele almak için gerekli olacak altyapıyı sağlamak ve işbirliğini kolaylaştırmaktır.

Endüstri ve akademi arasındaki bu sinerji, ticari bir nötr atom kuantum hesaplama sistemi olan Maxwell platformunun geliştirilmesinde özellikle etkili olmuştur. M Kare, Birleşik Krallık'ta fotonik ve kuantum teknolojileri geliştiricisi Ulusal Kuantum Teknolojileri Vitrini Sistemin mevcut sürümü 2022 kübiti destekleyebilir ve M Squared CEO'su Graeme Malcolm, teknolojiyi 100 kübit ve ötesine ölçeklendirmenin açık bir yolu olduğunu söylüyor.

Malcolm, "Maxwell'i yaratmak için, Strathclyde Üniversitesi ile şirketimize birinci sınıf çığır açan fiziğe erişim sağlayan stratejik bir ortaklık kurduk" diyor. "Güvenilir bir ürün geliştirmek için gereken mühendislik kabiliyetini getirirken, uzman uzmanlığı için güvenebileceğimiz, kapımızın önünde böylesine güçlü bir üniversite departmanına sahip olmak harika bir şeydi."

Maxwell, Jonathan Pritchard ve Strathclyde'deki araştırma ekibi tarafından mükemmelleştirilen nötr atomlu bir kübit mimarisine dayanıyor. Ultra soğuk atomlardaki enerji geçişlerini manipüle etmek için M Squared'in çekirdek lazer teknolojisine dayanan deneysel platform, EPSRC Refah Ortaklığı aracılığıyla geliştirildi. Meydan.

Pritchard, "Lazerlerin performansını optimize etmek ve bazı durumlarda ihtiyacımız olan belirli atomik süreçlere göre uyarlanmış yeni cihazlar tasarlamak için M Squared'deki fotonik mühendisleriyle yakın bir şekilde çalıştık" diyor. Bu arada ticari sistemin gelişmesi de DISCOVERY M Squared tarafından koordine edilen ve ticari kuantum hesaplamanın önündeki teknolojik engelleri ele almak için Innovate UK'nin Quantum Technologies Challenge programı tarafından desteklenen 10 milyon sterlinlik bir proje.

İşbirliği için sonraki adımlardan biri, platformun kapasitesini gösteren kuantum algoritmaları geliştirmek için Strathclyde Üniversitesi'nde kuantum simülasyonu ve bilgi işlem uzmanı olan Andrew Daley ile çalışmak olacak. 2021'de ABD'deki Harvard Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, 256 kübitten oluşan nötr bir atom sisteminin çok cisimli sistemlerin kuantum davranışını simüle etmek ve gözlemlemek için kullanılabileceğini gösterdi ve bu yılın başlarında ekip 289 kübitlik bir sistem kullandı. sürüm kuantum avantajına giden bir yol göstermek belirli bir analog kuantum algoritma sınıfı için.

Malcolm, "Strathclyde Üniversitesi ile geliştirdiğimiz sistem, dünyanın en iyi nötr atomlu kuantum bilgisayarlarıyla rekabet edebilir" diyor. "Şimdi bu algoritmalardan bazılarını gösterdiğimiz donanıma yerleştirmek ve gerçek dünyadaki zorluklar için nerede değer sunabileceğini görmek için ortaklıklar kurmak istiyoruz."

Sağlam kıyaslama ve sertifikasyon protokollerini uygulamaya koyma ihtiyacı, Kashefi ve NQCC için bir başka önemli önceliktir. Kashefi, kendi araştırma programı dahilinde, en umut verici teknolojilerin gelişimini hızlandırmaya yardımcı olacağına inandığı doğrulama ve test araçları geliştirmeye odaklandı.

"Farklı cihazlar ortaya çıktığında, onları nasıl değerlendireceğimizi ve performanslarını diğer platformlarla nasıl karşılaştıracağımızı bilmemiz gerekiyor" diyor. "Güvenilir bir test çerçevesi, yeni bir rejime daha hızlı geçiş yapmamızı sağlayacak önemli geri bildirimler sağlıyor."

2021'de NQCC devreye alındı nehir yolu, farklı kuantum işlemci türleri arasında performans karşılaştırmaları sağlamak için bir kıyaslama paketi geliştirmek üzere kuantum algoritmaları ve yazılımında bir uzman. Ulusal Fizik Laboratuvarı liderliğindeki bir konsorsiyum, uluslararası teknoloji gelişimini desteklemek için açık standartlar geliştirmeye yönelik bir bakış açısıyla kuantum hesaplama için temel ölçütleri de araştırıyor. Kashefi, "NQCC herhangi bir donanım çözümünü zorlamaya çalışmıyor, ancak farklı platformları karşılaştırabilmek, kendi geliştirme programımızın yanı sıra daha geniş ekosistemi canlandırmak için gerçekten yararlı olacak" diyor.

Bu tür kıyaslama, kuantum çözümlerinin klasik bilgi işlem mimarilerine göre nerede gerçek bir avantaj sunduğunu anlamayı da mümkün kılacaktır. Kashefi, "Kuantum hesaplama, şaşırtıcı ve devrim niteliğinde bir teknolojidir, ancak nihayetinde başka bir hesaplama aracıdır" diye devam ediyor. "Doğru kıyaslama, hangi görevlerin klasik bir bilgisayar için en uygun olduğunu ve hangilerinin bir kuantum çözümüyle geliştirilebileceğini anlamamızı sağlayacak."

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• Plato blok zinciri. Web3 Metaverse Zekası. Bilgi Güçlendirildi. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/