Співпраця забезпечує каталізатор квантового прискорення

Нобелівська премія з фізики 2022 року відзначила новаторські експерименти Алена Аспекта, Джона Клаузера та Антона Цайлінгера, які вперше продемонстрували потенціал квантових систем для обробки інформації. Кілька десятиліть потому вчені та інженери як у промисловості, так і в академічних колах спираються на ці досягнення, щоб створити функціонуючі квантові комп’ютери, які дають спокусливе уявлення про їхній потенціал для вирішення складних проблем у різноманітних додатках.

Хоча прогрес на сьогоднішній день вражаючий, потрібно ще багато працювати, щоб створити квантові комп’ютери, які зможуть перевершити своїх класичних аналогів. Сучасні маломасштабні квантові процесори зараз підштовхують кількість кубітів до діапазону 100–1000, але на них впливає шум і помилки, які обмежують їхні обчислювальні можливості. Розширення технології для досягнення широкої квантової переваги потребуватиме наукової винахідливості та інженерного ноу-хау в багатьох різних дисциплінах, а також тісної співпраці між академічним і комерційним секторами.

У Великій Британії ця співпраця була спрямована через Національна програма квантових технологій (NQTP), ініціатива вартістю 1 мільярд фунтів стерлінгів, яка з 2014 року підтримує технологічні центри квантового зондування, зображень, комунікацій та обчислень. «У нас є багата екосистема, яка працює разом, щоб сприяти розширенню квантових комп’ютерів для створення корисних програм», — каже Елхам Кашефі, професор квантових обчислень в Единбурзькому університеті та директор з досліджень CNRS в Університеті Сорбонна в Парижі.

Кашефі щойно призначили головним науковим співробітником Великобританії Національний центр квантових обчислень (NQCC), національний заклад, запущений у 2020 році як флагманська програма NQTP. NQCC прагне прискорити впровадження квантових обчислень у Великобританії шляхом партнерства з дослідницькими групами та комерційним сектором для вирішення проблем масштабування.

«Частиною моєї ролі в NQCC буде об’єднання розробників додатків і кінцевих користувачів для просування розробки корисних пристроїв», — говорить Кашефі. «Зараз ми знаходимося на етапі, коли вимоги до алгоритмів можуть впливати на дизайн апаратного забезпечення, дозволяючи нам усунути розрив між бажаним сценарієм використання та новою машиною».

Маючи досвід роботи в галузі інформатики, Кашефі вже давно виступає за те, що програмне забезпечення та алгоритми можуть відігравати роль у розробці квантових рішень. Вона координувала програму дослідження програмного забезпечення в рамках Центр квантового обчислення та моделювання (QCS)., консорціум університетів Великобританії, який підтримується NQTP і зосереджується на критичних наукових викликах для квантових обчислень. Хаб був стартовою площадкою для ряду компаній-початківців, які відстоюють різні апаратні та програмні рішення, і зараз співпрацює з NQCC для розвитку екосистеми квантових обчислень у Великій Британії, перетворюючи переваги досліджень в інноваційні технології.

У рамках своєї нової посади Кашефі працюватиме з NQCC над створенням Quantum Software Lab в Единбурзькому університеті, основною ініціативою, яка ще більше розширить національний відбиток програми NQCC. «Проблема масштабованості, з якою ми зараз стикаємося з фізичними кубітами, — це проблема, яку можуть допомогти вирішити інформатика та прикладне програмне забезпечення», — каже вона. «Ми можемо оптимізувати вимоги до кубітів шляхом спільної розробки програмного забезпечення та систем керування для задоволення потреб додатків».

Така спільна розробка вимагає мультидисциплінарного підходу, який поєднує знання квантового апаратного забезпечення та обробки інформації з досвідом математиків і комп’ютерників, які розуміють, як вирішувати складні обчислювальні проблеми.

«З’єднання з багатством знань, які ми маємо в класичній інформатиці, дозволить нам оптимізувати системні архітектури та системи керування, а також протоколи для пом’якшення та виправлення помилок, щоб отримати найкращий результат від апаратних платформ», — каже Кашефі. «Наприклад, люди, які працюють у сфері високопродуктивних обчислень, витратили багато часу на те, щоб з’ясувати, як вирішити проблеми оптимізації, і їхній внесок допоможе прискорити розробку квантових рішень, які забезпечують обчислювальну перевагу».

Одним із перспективних напрямків є розробка гібридних підходів, які поєднують нові квантові пристрої з класичною обчислювальною інфраструктурою. Наприклад, NQCC є партнером у Співпраця QuPharma, проект вартістю 6.8 млн фунтів стерлінгів, мета якого радикально скоротити час, необхідний для запуску молекулярного моделювання для відкриття ліків.

Під керівництвом розробника обладнання SEEQC Великобританія і за участю німецького фармацевтичного гіганта Merck KgaA, проект спрямований на об’єднання квантового процесора SEEQC із класичним суперкомп’ютером для створення більш потужної платформи для розробки ліків. «Нам потрібно зрозуміти больові точки в промисловості, щоб ми могли перевести їх у дослідницькі проблеми, які квантові обчислення могли б вирішити», — зазначає Кашефі.

Такі спільні проекти спираються на науковий досвід, накопичений в академічному секторі Великобританії, який започаткував дослідження світового рівня в галузі квантової теорії, програмного забезпечення та алгоритмів, а також експериментальну роботу з вивчення всіх провідних архітектур кубітів.

«Як людина, яка зосереджена на додатках і верифікації, я був у захваті від доступу до платформ кубітів, починаючи від надпровідних схем і захоплених іонів до фотоніки та кремнієвих пристроїв», — говорить Кашефі. «Коли ми пишемо код, нам потрібно знати про можливості та обмеження кожної платформи кубітів, оскільки деякі додатки можуть бути більш підходящими для моделі шуму або підключення, пропонованого конкретним апаратним рішенням».

Квантова індустрія, що розвивається, також виграє від потужної наукової бази у Великій Британії, оскільки багато квантових стартапів підтримують тісні зв’язки зі своїми колишніми дослідницькими групами, щоб розвивати технологію та прискорювати свої програми розвитку.

«Академічний сектор діє як фабрика ідей», — каже Девід Лукас, головний дослідник QCS Hub і співкерівник групи квантових обчислень із захопленими іонами в Оксфордському університеті. «Розширення технології — це інженерний виклик, який виходить за межі можливостей одного дослідницького відділу університету». Дійсно, однією з ключових ролей NQCC є забезпечення інфраструктури та сприяння співпраці, яка буде потрібна для вирішення цих інженерних завдань.

Ця синергія між промисловістю та наукою була особливо ефективною в розробці платформи Максвелла, комерційної квантової обчислювальної системи з нейтральним атомом, продемонстрованої на М у квадраті, розробник фотоніки та квантових технологій, у Великобританії Національна виставка квантових технологій у листопаді 2022 року. Поточна версія системи може підтримувати 100 кубітів, і генеральний директор M Squared Грем Малькольм каже, що є чіткий шлях до масштабування технології до 400 кубітів і далі.

«Для створення Maxwell ми створили стратегічне партнерство з Університетом Стратклайда, який надав нашій компанії доступ до проривної фізики світового рівня», — говорить Малкольм. «Було чудово мати такий сильний університетський факультет прямо біля нашого порогу, до якого ми можемо розраховувати спеціалістів, і водночас ми змогли залучити інженерний потенціал, необхідний для розробки надійного продукту».

Maxwell базується на архітектурі кубітів із нейтральним атомом, вдосконаленій Джонатаном Прітчардом та його дослідницькою групою в Стратклайді. Експериментальна платформа, яка спирається на основну лазерну технологію M Squared для маніпулювання енергетичними переходами в ультрахолодних атомах, була розроблена через EPSRC Prosperity Partnership під назвою Площа.

«Ми тісно співпрацювали з інженерами фотоніки M Squared, щоб оптимізувати продуктивність лазерів, а в деяких випадках — розробити нові пристрої, адаптовані до конкретних атомних процесів, які нам потрібні», — каже Прітчард. Тим часом розвиток комерційної системи був уможливлений DISCOVERY програма вартістю 10 мільйонів фунтів стерлінгів, координована компанією M Squared і підтримана програмою Quantum Technologies Challenge Innovate UK для подолання технологічних бар’єрів на шляху комерційних квантових обчислень.

Одним із наступних кроків співпраці буде робота з Ендрю Дейлі, експертом із квантового моделювання та обчислень з Університету Стратклайда, для розробки квантових алгоритмів, які демонструють можливості платформи. У 2021 році дослідницька група під керівництвом Гарвардського університету в США показала, що систему нейтральних атомів, що складається з 256 кубітів, можна використовувати для моделювання та спостереження за квантовою поведінкою систем багатьох тіл, а на початку цього року команда використала 289-кубіт. версія до продемонструвати шлях до квантової переваги для певного класу аналогових квантових алгоритмів.

«Система, яку ми розробили з Університетом Стратклайда, є конкурентоспроможною з найкращими у світі квантовими комп’ютерами з нейтральними атомами», — каже Малькольм. «Тепер ми хочемо застосувати деякі з цих алгоритмів до апаратного забезпечення, яке ми продемонстрували, і встановити партнерські відносини, щоб побачити, де це може запропонувати цінність для реальних завдань».

Необхідність запровадити надійні протоколи порівняльного аналізу та сертифікації є ще одним важливим пріоритетом для Kashefi та NQCC. У рамках власної дослідницької програми Кашефі зосередилася на розробці інструментів для перевірки та тестування, які, на її думку, допоможуть прискорити розвиток найбільш перспективних технологій.

«Коли з’являються різні пристрої, нам потрібно знати, як їх оцінити та як порівняти їх продуктивність з іншими платформами», — каже вона. «Надійна система тестування забезпечує важливий зворотний зв’язок, який дозволить нам швидше перейти до нового режиму».

У 2021 році НКЦК введено в експлуатацію Ріверлейн, фахівця з квантових алгоритмів і програмного забезпечення, щоб розробити набір порівняльних показників для порівняння продуктивності різних типів квантових процесорів. Консорціум під керівництвом Національної фізичної лабораторії також досліджує ключові показники для квантових обчислень з метою розробки відкритих стандартів для підтримки міжнародного розвитку технологій. «NQCC не намагається просувати якесь конкретне апаратне рішення, але можливість порівнювати різні платформи буде дійсно корисною для стимулювання нашої власної програми розвитку, а також ширшої екосистеми», — говорить Кашефі.

Такий бенчмаркінг також дасть змогу зрозуміти, де квантові рішення пропонують справжню перевагу над класичними обчислювальними архітектурами. «Квантові обчислення — це дивовижна та революційна технологія, але в кінцевому підсумку це просто ще один обчислювальний інструмент», — продовжує Кашефі. «Належний бенчмаркінг дозволить нам зрозуміти, які завдання найкраще підходять для класичного комп’ютера, а які можна покращити за допомогою квантового рішення».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/