Toby Cubitt: Tại sao thuật toán sẽ tăng tốc ứng dụng của máy tính lượng tử – Vật Lý Thế Giới

Máy tính lượng tử cho thấy nhiều hứa hẹn vì ít nhất về nguyên tắc, chúng có thể giải quyết một số vấn đề nhất định mà ngay cả những siêu máy tính thông thường mạnh nhất cũng không thể giải quyết được. Nhưng việc xây dựng các bit lượng tử hay qubit – và liên kết chúng để tạo ra các máy tính lượng tử thực tế – là một thách thức lớn. Đặc biệt, máy tính lượng tử cực kỳ ồn ào, nhanh chóng gây ra lỗi trong các phép tính lượng tử.

Đó là lý do tại sao nhiều nhà nghiên cứu đang phát triển các thuật toán lượng tử thông minh có thể thực hiện các phép tính hữu ích ngay cả trên các máy tính lượng tử nhỏ và ồn ào ngày nay. Một công ty góp phần vào nỗ lực đó là Pha chế, được tách ra từ Đại học College London và Đại học Bristol vào năm 2019. Nhà vật lý học Toby Cubitt, người đồng sáng lập và giám đốc công nghệ tại Phasecraft, nói chuyện với Hamish Johnston về cách các ứng dụng trong thế giới thực có thể sắp xuất hiện.

Tại sao ban đầu bạn thiết lập Phasecraft?

Chúng tôi thành lập Phasecraft vì điện toán lượng tử đã đạt đến điểm mà phần cứng điện toán lượng tử không còn chỉ là một hệ thống đồ chơi mà còn vượt qua ranh giới của những gì có thể làm được trên máy tính thông thường. Chúng tôi muốn cố gắng phát triển các thuật toán cần thiết để tận dụng phần cứng giai đoạn đầu đó và biến các ứng dụng lượng tử thành hiện thực. Đó là một thách thức lớn về mặt khoa học nhưng lại là một thách thức hấp dẫn để tham gia.

Công ty hiện nay lớn đến mức nào?

Chúng tôi hiện có khoảng 20 nhân viên toàn thời gian, khoảng một phần ba trong số họ có nền tảng về điện toán lượng tử hoặc lý thuyết thông tin lượng tử, một phần ba về khoa học vật liệu, vật chất ngưng tụ và hóa học, và một phần ba về lĩnh vực điện toán. Tất cả họ đều có kiến ​​thức về điện toán lượng tử, nhưng cũng rất rất giỏi - và yêu thích - lập trình công cụ này, triển khai nó và làm cho nó hoạt động trên phần cứng.

Chúng tôi tài trợ cho các nghiên cứu sinh tiến sĩ đang làm việc tại những nơi như Đại học College London và Đại học Bristol nhưng làm việc trực tiếp tại văn phòng của công ty. Chúng tôi cũng có rất nhiều thực tập sinh – cả sinh viên đại học và nghiên cứu sinh tiến sĩ. Hiện tại chúng tôi đang rất tập trung vào nghiên cứu và phát triển. Nhưng khi các ứng dụng hữu ích xuất hiện trực tuyến, tôi kỳ vọng mọi thứ sẽ mang tính chất thương mại hơn nhiều.

Bạn có cho rằng phần mềm lượng tử đã bị bỏ qua để ủng hộ tất cả sự cường điệu và hào hứng trong việc phát triển các qubit và công nghệ xử lý mới không?

Phần cứng cực kỳ quan trọng và xứng đáng được chú ý, liên quan đến một số vật lý, khoa học vật liệu và kỹ thuật hấp dẫn. Nhưng đối với chúng tôi về mặt phần mềm, tất cả chỉ là việc đưa ra những ý tưởng toán học thông minh để làm cho thuật toán hiệu quả hơn và hoạt động trên các thiết bị lượng tử quy mô nhỏ, giai đoạn đầu hiện nay. Trên thực tế, chúng ta có nhiều khả năng đạt được tiến bộ thông qua các thuật toán tốt hơn là chờ đợi những cải tiến về phần cứng.

Ngay cả khi phần cứng lượng tử tăng trưởng theo cấp số nhân, có thể phải mất một thập kỷ bạn mới có thể làm được bất cứ điều gì hữu ích với nó. Làm việc trên các thuật toán cũng không yêu cầu máy điều hòa nhiệt độ đắt tiền, tủ lạnh pha loãng, heli lỏng hoặc chip – chỉ cần một nhóm người thực sự thông minh suy nghĩ sâu sắc, đó là những gì chúng tôi có tại Phasecraft. Ví dụ, vài năm trước, chúng tôi đã phát triển các thuật toán mô phỏng động lực thời gian của các hệ lượng tử tốt hơn khoảng sáu bậc so với các thuật toán của Google và Microsoft.

Bộ xử lý lượng tử ồn ào, có nghĩa là chúng nhanh chóng mất đi sự gắn kết và khiến cho việc tính toán không thể thực hiện được. Làm cách nào để bạn phát triển các thuật toán thực tế để chạy trên các thiết bị không hoàn hảo?

Tiếng ồn và lỗi là nguyên nhân hạn chế của tất cả các ứng dụng lượng tử trên phần cứng thực. Đã có một số cải tiến đáng kinh ngạc về phần cứng, nhưng chúng ta không thể cho rằng máy tính lượng tử là hoàn hảo như các thiết bị cổ điển. Vì vậy, với mọi thứ chúng tôi làm trong Phasecraft, chúng tôi phải nghĩ đến những máy tính lượng tử không hoàn hảo, ồn ào và có lỗi. Chạy bất kỳ tính toán nào và các lỗi sẽ tích tụ nhanh đến mức bạn chỉ nhận được nhiễu – dữ liệu ngẫu nhiên – và bạn đã mất tất cả thông tin lượng tử.

Để giải quyết vấn đề này, điều quan trọng là phải tạo ra các thuật toán hiệu quả nhất có thể và làm cho chúng ít nhạy cảm hoặc dễ bị nhiễu hơn. Đúng là vào những năm 1990 Peter Shor đã phát triển khái niệm sửa lỗi lượng tử và Định lý ngưỡng chịu lỗi, về mặt lý thuyết, cho thấy rằng ngay cả trên các máy tính lượng tử ồn ào, bạn vẫn có thể chạy các phép tính tính toán lượng tử dài tùy ý. Nhưng điều đó đòi hỏi số lượng qubit khổng lồ đến mức chúng ta không thể coi đây là một giải pháp.

Do đó, trọng tâm của chúng tôi là một vấn đề thuộc loại kỹ thuật, trong đó chúng tôi cố gắng hiểu tiếng ồn trông như thế nào một cách chi tiết. Chúng ta càng hiểu rõ tiếng ồn thì chúng ta càng có thể thiết kế xung quanh nó để nó không ảnh hưởng đến kết quả. Nhưng có một lợi ích lớn vì nếu bạn có thể làm cho một thuật toán ít phức tạp hơn, bạn có thể thu được thứ gì đó hữu ích từ những chiếc máy tính lượng tử ồn ào này. Vấn đề là thiết kế các thuật toán để chúng ta có thể khai thác được nhiều hơn từ chúng.

Tôi thường nói rằng máy tính lượng tử ngày nay giống như máy tính cổ điển của những năm 1950. Hồi đó người ta thích Alan Turing đã nảy ra những ý tưởng thực sự thông minh về cách khai thác thêm một chút phần cứng thô sơ cồng kềnh và thực sự làm được những điều đáng kinh ngạc với nó. Đó là giai đoạn chúng ta đang ở với điện toán lượng tử. Trên thực tế, một số thuật toán nhất định đôi khi phù hợp với loại phần cứng này hơn loại khác.

Về phần cứng, hiện tại bạn đang sử dụng loại qubit nào?

Tại Phasecraft, chúng tôi quan tâm đến tất cả các loại phần cứng. Tuy nhiên, phần lớn chúng tôi đang sử dụng các mạch qubit siêu dẫn vì đó là nền tảng phần cứng hàng đầu hiện nay. Nhưng chúng tôi cũng đang chạy bẫy ion trên phần cứng nguyên tử lạnh và chúng tôi cũng đang nghĩ đến phần cứng quang tử. Nhưng chúng tôi không bị ràng buộc với một nền tảng cụ thể.

Trọng tâm của Phasecraft là các thuật toán tính toán các đặc tính của vật liệu. Tại sao những ứng dụng đó lại phù hợp với máy tính lượng tử đời đầu ngày nay?

Trong công nghiệp, nhiều công ty dành nhiều thời gian và tiền bạc bằng cách sử dụng máy tính cổ điển, hiệu suất cao để tính toán các tính chất của vật liệu. Vấn đề là nó đòi hỏi tính toán rất phức tạp nên cuối cùng họ cố gắng đơn giản hóa vấn đề. Nhưng điều nguy hiểm là bạn có thể hiểu sai hoàn toàn. Ví dụ: bạn có thể dự đoán một vật liệu là chất cách điện trong khi thực tế nó là chất dẫn điện. Đôi khi nó có thể sai ở mức độ đó.

Tại Phasecraft, chúng tôi đang tập trung vào việc lập mô hình và mô phỏng các vật liệu vì những ứng dụng đó nằm trong phạm vi gần nhất của phần cứng hiện tại. Các ứng dụng khác, chẳng hạn như tối ưu hóa, đòi hỏi khắt khe hơn về số lượng qubit và cổng bạn cần. Khi phần cứng được cải thiện, các mô phỏng hóa học lượng tử sẽ nằm trong tầm tay của chúng ta. Chúng khó mô phỏng hơn các vật liệu tinh thể, định kỳ vì độ phức tạp của thuật toán trong các hệ thống phân tử có tỷ lệ theo số quỹ đạo của electron với lũy thừa bốn.

Bạn có thể cho chúng tôi biết một số tài liệu cụ thể mà bạn đã xem không?

Hiện tại, phần cứng vẫn chưa đủ lớn để có thể thực hiện mô phỏng các vật liệu thực ngoài những gì có thể thực hiện được theo cách cổ điển. Vì vậy, chúng tôi vẫn đang ở giai đoạn có thuật toán, nhưng chúng tôi vẫn chưa có phần cứng để chạy, mặc dù nó đang tiến gần đến mức đó. Phải nói rằng, các loại vật liệu là mục tiêu tốt cho các ứng dụng điện toán lượng tử giai đoạn đầu là các vật liệu liên quan đến năng lượng sạch – vật liệu pin, những thứ như oxit kim loại.

Chúng cũng tình cờ là những thuật toán mà các thuật toán cổ điển không hoạt động tốt vì chúng liên quan đến tương quan chặt chẽ electron. Điều tương tự cũng xảy ra với quang điện. Trên thực tế, chúng tôi có một hợp tác với Oxford PV, đang làm việc với quang điện perovskite, trong đó chúng ta lại xem xét các hệ electron có tương quan mạnh. Điều này liên quan đến việc mô phỏng linh hoạt những thứ như tốc độ các cặp lỗ-hạt kết hợp lại để phát ra ánh sáng.

Chúng tôi cũng đã kiểm tra strontium vanadate, loại vật liệu có cấu trúc dải đẹp nghĩa là nó có thể vừa với một máy tính lượng tử nhỏ hơn so với một số vật liệu khác. Nó không phải là nhỏ nhất, nhưng là một hệ thống oxit kim loại được quan tâm và cần ít qubit hơn cũng như ít cổng hơn các oxit kim loại khác.

Bạn nghĩ khi nào Phasecraft sẽ đạt đến điểm “lợi thế lượng tử” nơi thuật toán của bạn có thể chạy trên bộ xử lý lượng tử và có thể tính toán những thứ mà siêu máy tính không thể thực hiện được?

Đó là câu hỏi trị giá hàng triệu đô la. Trên thực tế, đây có lẽ là câu hỏi trị giá hàng tỷ đô la. Ngành công nghiệp lượng tử cần đạt đến điểm không chỉ thể hiện các vấn đề về đồ chơi mà còn giải quyết các vấn đề trong thế giới thực trên máy tính lượng tử.

Tôi hy vọng tôi không giống người đàn ông được cho là đã từng nói trên thế giới chỉ cần có ba máy tính, nhưng tôi thực sự nghĩ rằng chúng ta có thể đạt được điều đó trong vòng hai đến ba năm tới. Những câu hỏi ban đầu đó có thể là mối quan tâm khoa học hơn là mối quan tâm công nghiệp - ngành công nghiệp có thể vượt quá điểm đó một chút. Sẽ không phải là trường hợp tắt các cụm điện toán hiệu năng cao (HPC) của bạn chỉ sau một đêm và chuyển thẳng sang máy tính lượng tử. Nhiều khả năng đây sẽ là một quá trình dần dần trong đó ngày càng có nhiều thứ hữu ích được đưa lên mạng. Đó là cách khoa học hoạt động: bạn tiến bộ, bạn gặp trở ngại và sau đó tiến bộ hơn nữa. Nó có xu hướng tăng lên.

Sự tiến bộ phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc chăm chỉ của đội ngũ lớn các nhà khoa học làm việc chăm chỉ trong nhiều năm. Đó là những gì đang diễn ra trong điện toán lượng tử và những ứng dụng đầu tiên có thể không gây chú ý

Khi các phương tiện truyền thông rộng rãi đưa tin về máy tính lượng tử, họ có xu hướng cho rằng những đột phá lớn bất ngờ xuất hiện từ hư không. Nhưng họ không làm vậy. Sự tiến bộ phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc chăm chỉ của đội ngũ lớn các nhà khoa học làm việc chăm chỉ trong nhiều năm. Đó là những gì đang diễn ra trong điện toán lượng tử và những ứng dụng đầu tiên có thể không gây được tiếng vang lớn. Nhưng các nhà khoa học sẽ nhận ra khi chúng ta vượt qua ngưỡng đó mà bạn có thể làm được những điều không thể với máy tính thông thường. Chúng ta không còn xa nữa.

Phasecraft gần đây đã nhận được 13 triệu bảng tài trợ tư nhân. Bạn dự định làm gì với số tiền đó?

Đối với một công ty thuật toán lượng tử như của chúng tôi, phần lớn nguồn tài trợ được dùng để trả lương cho mọi người. Nhân viên của chúng tôi là chìa khóa - tài sản quý giá nhất của chúng tôi là đội ngũ của chúng tôi. Đối với một công ty phần cứng thì lại rất khác, vì phần cứng rất đắt tiền. Nhưng chúng tôi cần mọi người suy nghĩ và viết mã để số tiền đó sẽ cho phép chúng tôi mở rộng đội ngũ của mình một cách đều đặn.

Chúng tôi luôn có nhiều ý tưởng hơn mức có đủ nguồn lực để theo đuổi và khi chúng tôi tiến gần hơn đến việc triển khai các phép tính lớn trên máy tính lượng tử, chúng tôi sẽ mở rộng quy mô nhóm. Vẫn còn vài năm nữa chúng ta mới có những ứng dụng phù hợp về mặt thương mại, nhưng khi điều đó xảy ra, chúng ta sẽ trải qua một bước ngoặt và toàn bộ ngành sẽ thay đổi. Chúng tôi luôn muốn nói chuyện với những người thông minh, những người hào hứng với việc sử dụng cơ học lượng tử cho các ứng dụng trong thế giới thực.

Vậy công ty sẽ phát triển như thế nào?

Tất cả chỉ cần một ý tưởng tuyệt vời, nổi bật có thể thay đổi hoàn toàn toàn bộ ngành công nghiệp lượng tử. Chúng tôi quan tâm đến việc đảm bảo rằng chúng tôi cung cấp cho nhóm nghiên cứu của mình không gian để thực hiện kiểu suy nghĩ trên trời có thể thay đổi bộ mặt hướng đi của công ty. Chắc chắn, không phải tất cả các ý tưởng đều thành công – ngày 20 có thể thất bại nhưng ngày 21 sẽ trở thành một hướng đi mới quan trọng mà không ai nghĩ tới. Điều đó đã xảy ra vài lần ở Phasecraft rồi. Ai đó được truyền cảm hứng và sau đó một hướng đi mới sẽ mở ra.

Thuật toán lượng tử tận dụng thông minh phần cứng ồn ào

Chúng ta đang ở thời điểm cực kỳ thú vị trong lĩnh vực điện toán lượng tử. Tôi vẫn là giáo sư tại UCL, và tôi vẫn còn một nhóm học thuật ở đó, nhưng tôi thấy cả hai mặt – ứng dụng và lý thuyết – đều thú vị về mặt trí tuệ. Tôi đã lý thuyết hóa về một số chủ đề trong 20 năm nhưng chưa có công cụ nào để áp dụng chúng vào thực tế. Tuy nhiên, bây giờ tôi có thể áp dụng lý thuyết đó và biến nó thành hiện thực. Thay vì chỉ viết một bài báo, tôi có thể thực hiện ý tưởng của mình trên phần cứng.

Chắc chắn, nó có thể không hoạt động chút nào. Có thể vũ trụ thực sẽ nói: “Không. Đó không phải là một ý tưởng hay." Nhưng nó vẫn có thể là một vấn đề cực kỳ hữu ích và hấp dẫn cần giải quyết. Và vì vậy, khía cạnh ứng dụng của nghiên cứu – áp dụng vật lý này vào công nghệ – tôi thấy cũng hấp dẫn và thú vị như tư duy học thuật trên bầu trời xanh.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/toby-cubitt-why-algorithms-will-speed-up-applications-of-quantum-computers/