Мауро Патерностро: бачення квантового ландшафту – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-4.jpg" data-caption="Квантовий зір Мауро Патерностро. (З дозволу: Королівський університет Белфаста)”>

Ми перебуваємо в розпалі квантового ренесансу, коли дослідники в академічних колах і промисловості змагаються за «перемогу» в гонці квантових обчислень. Квантовий ринок процвітає: безліч компаній, великих і малих, інвестують у цю технологію за підтримки величезного державного фінансування по всьому світу.

Мауро Патерностро, квантовий фізик з Університету Палермо та Університету Королеви в Белфасті, експерт із квантової обробки інформації та квантових технологій. Працюючи над основами предмету, його команда проводить новаторські дослідження в області оптомеханіки порожнини, квантової комунікації тощо. Він також є головним редактором журналу IOP Publishing Квантова наука і технологія.

У цьому широкомасштабному інтерв’ю Патерностро розповідає Tushna Commissariat про свої погляди на квантовий ландшафт – від «чотирьох стовпів» квантових технологій і гібридних архітектур до багатообіцяючого шлюбу між квантовими технологіями та штучним інтелектом (ШІ). Патерностро також підкреслює необхідність постійного державного фінансування для реалізації справжнього потенціалу цієї технології, яка змінює світ.

Ми бачили, як квантова бульбашка здувається протягом останнього десятиліття, але які потенційні переваги та ризики експоненціального розширення компаній квантових технологій і фінансування в усьому світі?

Загалом картина дуже позитивна. Квантова обробка інформації потребувала стимулу з боку промисловості, оскільки фірми могли сприяти більш прагматичним розробкам, які потрібні галузі. Точка зору, яку пропонує галузь, допомагає сформувати квантові технології більш цілеспрямованим чином, коли йдеться про загальні цілі. Розвиваючийся ринок, який швидко розвивається – чи то промисловість, чи наука – це чудово.

Але, як ви зазначаєте, спостерігається стрімке зростання. І хоча це здебільшого добре, є також невелике занепокоєння, що ми можемо створити велику бульбашку, яка скоріше лопне. Тож я думаю, що це питання контролю – нам дійсно потрібно дещо стримувати себе, дозволяючи дослідницькій галузі розвиватися органічно.

Мене трохи турбує кількість невеликих компаній, які, здається, розробляють власне квантове програмне забезпечення. Їхні продукти мають дуже мало спільного зі справжніми квантовими алгоритмами і, як правило, є класичними оптимізаційними рішеннями, які мають свої переваги. Але вони не обов’язково є тим, що я б назвав квантовою структурою.

З іншого боку, деякі відокремлені компанії більше орієнтовані на впровадження платформ квантової обробки, таких як квантові датчики. Це справді цікаво, оскільки тут діють не лише квантові обчислення, а й інші фізичні закони.

Є чотири стовпи, що лежать в основі розвитку квантових технологій: квантові обчислення; квантове моделювання; квантовий зв'язок; квантове зондування та метрологія. І я б сказав, що всі четверо розвиваються дуже здоровим шляхом.

Квантове зондування, здається, є одним із найдосконаліших разом із комунікацією завдяки зрілості технологій, які вони можуть використовувати. Хоча залучення промисловості є корисним і багатообіцяючим, нам слід остерігатися диких спекуляцій та «інфляції», яка виникає від спроби сісти на швидкісний автобус, не маючи під рукою повної вартості проїзду.

І хоча я часто скептично ставлюся до менших компаній, ви також іноді отримуєте тривожні новини від великих гравців. Наприклад, китайська технологічна компанія Alibaba була зацікавлена ​​в розробці платформ і рішень для квантових обчислень, поки вона раптом не вирішила закрити свою внутрішню квантову команду наприкінці минулого року, заявивши, що краще зосередиться на тому, щоб бути лідером у дослідженні ШІ.

Це було просто бізнес-рішення, чи Alibaba відчуває запах чогось, чого ми ще не відчували? Гадаю, нам доведеться почекати і побачити. Загалом, я вважаю, що майбутнє світле, і залучення промисловості є дуже гарною новиною.

Існує низка різних технологій квантового обчислення, які змагаються за перше місце – від захоплених іонів і квантових точок до надпровідних і фотонних кубітів. Що, на вашу думку, має найбільші шанси на успіх?

Я свого роду агностик, тому я не вірю, що перший квантовий пристрій, який ми створимо, буде повністю квантовим. Я знаю, що для деяких це суперечливо, але таку думку поділяє багато інших у моїй галузі. Я думаю, що в кінцевому підсумку ми отримаємо гібридну архітектуру, де найкраще високопродуктивні обчислення (HPC) буде взаємодіяти з архітектурами квантових обчислень.

Можливо ці шумовий проміжний квант (NISQ) архітектури буде додано повноцінну архітектуру HPC, яка підвищить їх продуктивність, або навпаки. Квантові ресурси, надані цим гібридним пристроєм, підвищать продуктивність, яку може забезпечити поточний класичний HPC. Я твердо вірю в здійсненність такої гібридної архітектури – до повністю квантового рішення ще дуже далеко.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-1.jpg" data-caption="Технологічний тріумф A wafer full of quantum processors from D-Wave, a Canadian quantum-computing company. (CC BY 2.0 Steve Jurvetson)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-1.jpg”>

Крім того, я не зовсім впевнений, що ми матимемо можливість керувати величезними ресурсами, які будуть потрібні для повного використання розриву в обчислювальній потужності, який запропонував би квантовий комп’ютер. Середньострокова мета, спрямована на цю гібридну квантову архітектуру HPC, буде набагато реалістичнішою — і потенційно дуже плідною — архітектурою. Я дещо оптимістично налаштований, що в моєму житті щось трапиться.

Ви згадали, що квантові датчики вже розробляються для широкого спектру застосувань, включаючи охорону здоров’я, будівництво та навіть вимірювання сили тяжіння. Що нового та цікавого в цій сфері?

Квантові датчики розвивають дивовижні можливості для дослідження механізмів, які досі були невловимі. По суті, ці датчики допомагають нам краще виявляти потенційні квантові ефекти таких сил, як гравітація, у дослідженні яких зацікавлені багато дослідників у Великобританії. Значна частина експериментальної спільноти переслідує ці цілі – квантовий центр Бірмінгемського університету лідирує в цьому.

Я не думаю, що хтось стверджує, що існує виграшна експериментальна платформа, яку слід шукати – як холодні атоми, так і оптомеханіка є одними з найбільш перспективних у цьому відношенні. Але теоретичний і експериментальний прогрес, якого досягла ця область, дуже цікавий.

Я вважаю, що ключовою розробкою стануть датчики, які можуть досліджувати фундаментальну природу невловимих фізичних механізмів. Крім того, є інші сенсорні пристрої, такі як акселерометри або фотокамери, які вже досить добре зарекомендували себе. The Національна програма квантових технологій Великобританії вже досягла значних успіхів у цьому відношенні, а технологія доступна та достатньо зріла, щоб мати реальний вплив.

Я вважаю, що галузям промисловості слід інвестувати значні кошти в цю сферу, тому що, поряд із комунікацією, датчики займають перше місце у впровадженні квантових технологій на цьому етапі.

Створення середовища для квантового ринку: що квантовий бізнес збирає та як він може розвиватися

А як щодо квантової комунікації?

Квантова комунікація є, мабуть, найбільш конкретним прикладом того, як академічний прогрес працює на користь галузевих цілей. Це був абсолютно чудовий приклад того, чого ми можемо досягти, коли ці два компоненти працюють разом.

Хоча прогрес був фантастичним, є також суперечливі аспекти, особливо якщо ми враховуємо більші геополітичні наслідки глобальної квантової мережі. Проблема безпеки зв’язку та даних стане важливою, тому ми повинні ретельно розглянути ширші наслідки цих технологічних розробок. Геополітичні кордони постійно змінюються, і їх цілі не завжди збігаються з науковими цілями.

У яких ключових сферах перетинаються ШІ та квантові технології? Де вони найкраще допомагають один одному та які можливі проблеми?

Це дуже важливе питання. Зайве говорити, що священний Грааль для обох сфер дуже близький – і ШІ, і квантові обчислення базуються на розробці нових алгоритмів. Можна почути, як люди говорять про квантове машинне навчання (ML) або квантовий ШІ, але це не те, що вони насправді мають на увазі. Вони не мають на увазі спеціально розроблені квантові алгоритми для проблем AI або ML. Вони мають на увазі гібридизацію класичного машинного навчання або класичного ШІ з квантовими проблемами.

Ці рішення залежатимуть від галузі та проблеми, яку ми намагаємося вирішити. Але загалом ми розглядаємо класичні методи обробки наборів даних; задачі оптимізації; розв'язування функцій витрат; і контроль, оптимізація та маніпулювання квантовими проблемами.

Це дуже багатообіцяюче, оскільки ви поєднуєте найкраще з двох світів. З теоретичної точки зору, мета полягає в тому, щоб вирішити питання на загальному квантово-механічному рівні, які необхідно вирішити, і, можливо, більші та складніші проблеми з точки зору масштабу. Ми хочемо створити інструменти на алгоритмічному рівні, які дозволять вам справлятися зі складністю цих проблем сертифікованим і консолідованим способом.

І що цікаво, експерименти почали наздоганяти теоретичні розробки. У нас уже є низка рішень, підходів і методологій, які були розроблені в цьому гібридному сценарії, де ML і квантова обробка інформації поєднуються.

Я сподіваюся, що ці експерименти будуть повністю досліджені в найближчі кілька років, і я не буду спонуканий, якщо штучний інтелект і квантова бульбашка все-таки лопнуть. Я сумніваюся, що це буде так, оскільки штучний інтелект залишиться, а машинне навчання зараз є інструментом, який неможливо пропустити аналітиками даних у всьому світі. Якщо у нас є амбіції збільшити складність проблем, які ми можемо і повинні вирішувати, тоді ми повинні зосередитися на розробці цих інструментів.

Які нові ініціативи відбуваються в цій сфері?

Раніше цього року Дослідження та інновації Великобританії (UKRI) оголосила, що фінансує дев’ять нових дослідницьких центрів для «запровадження революційних технологій ШІ» для вирішення складних проблем від охорони здоров’я до енергетики, а також 10 інших досліджень для визначення «відповідального ШІ». Я знаю, що багато з них мають квантовий компонент – особливо в охороні здоров’я, де рішення на основі штучного інтелекту є абсолютно фундаментальними, але квантові рішення також можуть бути.

Тому я дуже оптимістично налаштований щодо злиття штучного інтелекту та квантових технологій, доки розробка структури ШІ регулюється. Прямо зараз, Європейська комісія розробляє законодавчу базу для свого Закону про штучний інтелект, яка розглядатиме ризики, які може становити штучний інтелект, і глобальну роль, яку ЄС сподівається відігравати в регулюванні технології. І Сполучене Королівство, і США вже деякий час працюють над подібними рамками, тому ми маємо сформулювати певну глобальну політику та регулювання, швидше ніж пізніше.

Поки ця розробка відповідає регульованій політиці з надійною структурою, взаємодія ШІ з квантовими технологіями має створити корисний механізм двостороннього зворотного зв’язку, який допоможе обом сферам значно розвиватися.   

Коли справа доходить до фінансування квантових технологій урядами в усьому світі, у які конкретні сфери ви б хотіли бачити подальші інвестиції?

Мої гранти! Але якщо говорити серйозніше, то інвестиції на державному рівні були широко поширеними та значними для наукової галузі, яка, по суті, все ще розвивається. Порівняно з деякими іншими сферами, які отримують наукове фінансування, наприклад, військовими чи медичними дослідженнями, сума грошей, яку було покладено на тарілку, майже смішна – але для нас це, звичайно, дуже добре. Перевага такого роду державних витрат полягає в тому, що вони змушують нас формувати спільноту та висувати спільні цілі.

Якщо ми посилаємося на вищезгадані чотири стовпи, то в основі лежить зв’язок фундаментальної фізики та теоретичних розробок. Різні країни обирають один або кілька стовпів, на яких зосереджуються, залежно від свого досвіду та ресурсів. США дуже зосереджені на обчисленнях. ЄС є більш поширеним, тому ситуація складніша, але є значні інвестиції в комунікації, а також зростаючий інтерес до моделювання, тоді як низка національних стратегій ЄС також зосереджена на датчиках.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-3.jpg" data-caption="Квантова експертиза A research scientist with IBM Quantum in the lab with a large quantum system built by the firm. (Courtesy: IBM)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape-physics-world-3.jpg”>

Велика Британія також намагається охопити весь спектр, але визначаючи деякі дуже чітко визначені теми, від зображень до обчислень і від комунікації до зондування. Є такі країни, як Фінляндія, які мають більш експериментальний підхід і зосереджені на надпровідних архітектурах, оскільки вони вже мають величезні можливості. Сінгапур, з іншого боку, розвиває потужний напрямок досліджень супутникового квантового зв’язку. Для маленької країни він має величезний потенціал як з точки зору талантів, так і ресурсів.

Таким чином, різні країни органічно розвинули власну сферу знань. І завдяки цьому ми всі виграємо як спільнота – ми всі отримуємо вигоду від усього досягнутого прогресу. Кілька маленьких кроків, кілька поступових кроків, кілька величезних квантових стрибків.

Я вважаю, що буде дуже важливо, щоб уряди, як національні, так і супернаціональні, усвідомили, що інвестиції в квантові технології мають підтримуватися. Це сфера, яка потребує безперервної підтримки для досягнення своїх високих цілей. І ми, як наукове співтовариство, повинні створити послідовну картину з однаковими цілями, незважаючи на будь-які розбіжності. Лише тоді ми матимемо найкращі можливості для впровадження квантових технологій у реалії, що змінюють життя.

Як новий головний редактор Квантова наука і технологія (QST), яке ваше бачення журналу?

Це велика честь, і я дуже радий, але це також велике зусилля, враховуючи розвиток квантових журналів. Що я хочу від журналу, так це переконатися, що QST залишається одним із бажаних шляхів для подання першокласних внесків. Але я також хочу допомогти сформувати маніфест журналу та його цілі.

Тому моїм першочерговим завданням як головного редактора було створення виконавчої ради, яка разом із підтримкою редколегії чітко сформує масштаби та місію журналу. І це потім інформуватиме про те, як журнал розвиватиметься протягом наступних кількох років, керуючись спільнотою квантових досліджень. З точки зору масштабу, я хотів би бачити більше якісних експериментальних оновлень, які розширюють межі впровадження квантових технологій.

IOP Publishing має a перетворювальний договір (TA) з вашою установою, з точки зору публікації у відкритому доступі. Чи можете ви мені про це розповісти?

Я думаю, що це була угода, яка змінила правила гри, що стосується публікації наших результатів. З огляду на суворі критерії, які науково-дослідні ради висувають до результатів, підтриманих грантами – наприклад, від Дослідницької ради інженерних і фізичних наук (EPSRC), – і потреби, щоб вони були повністю доступними, а дані – доступними для спільноти, наявність TA, яка гарантує відкритий доступ, це те, що нам потрібно. Приємно бути впевненим у тому, що IOP Publishing є життєздатним способом публікації моїх результатів, сумісних із EPSRC.

Окрім дотримання вимог щодо фінансування, угода IOPP знімає адміністративний тягар роботи з рахунками-фактурами на оплату публікації статті (APC), що є великим полегшенням для вчених. Я виступав за розширення ініціативи – шляхом укладення подібних угод з іншими видавничими компаніями – але також переконався, що це не одноразовий експеримент, який згасне протягом наступного року чи близько того. Ми повинні зробити це системним у тому, як залучені інституції не лише у Великій Британії, але, як на мене, у Європі. Це має бути інкапсульовано з самого початку, у спосіб роботи вищих навчальних закладів та науково-дослідних інститутів. Вкрай важливо забезпечити синергію між видавничими компаніями та університетами чи дослідницькими інститутами.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/