Hợp tác cung cấp chất xúc tác cho gia tốc lượng tử

Giải Nobel Vật lý năm 2022 đã công nhận các thí nghiệm tiên phong của Alain Aspect, John Clausr và Anton Zeilinger, lần đầu tiên chứng minh tiềm năng của các hệ thống lượng tử trong việc xử lý thông tin. Vài thập kỷ sau, các nhà khoa học và kỹ sư trong cả ngành công nghiệp và học thuật đang xây dựng dựa trên những thành tựu này để tạo ra các máy tính lượng tử hoạt động mang lại cái nhìn thoáng qua về tiềm năng của chúng trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp trên nhiều ứng dụng.

Mặc dù tiến độ cho đến nay rất ấn tượng, nhưng vẫn cần nhiều công việc hơn nữa để tạo ra các máy tính lượng tử có thể hoạt động tốt hơn các máy tính cổ điển của chúng. Các bộ xử lý lượng tử quy mô nhỏ ngày nay đang đẩy số lượng qubit lên phạm vi 100–1000, nhưng chúng bị ảnh hưởng bởi nhiễu và lỗi làm hạn chế khả năng tính toán của chúng. Mở rộng quy mô công nghệ để đạt được lợi thế lượng tử rộng rãi sẽ cần sự khéo léo khoa học và bí quyết kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực khác nhau, cũng như sự hợp tác chặt chẽ giữa lĩnh vực học thuật và thương mại.

Ở Vương quốc Anh, sự hợp tác đó đã được thúc đẩy thông qua Chương trình Công nghệ Lượng tử Quốc gia (NQTP), một sáng kiến ​​trị giá 1 tỷ bảng Anh kể từ năm 2014 đã hỗ trợ các trung tâm công nghệ về cảm biến lượng tử, hình ảnh, truyền thông và điện toán. Elham Kashefi, giáo sư điện toán lượng tử tại Đại học Edinburgh và là giám đốc nghiên cứu của CNRS tại Đại học Sorbonne ở Paris cho biết: “Chúng tôi có một hệ sinh thái phong phú đang hợp tác để thúc đẩy việc mở rộng quy mô của máy tính lượng tử nhằm cung cấp các ứng dụng hữu ích.

Kashefi vừa được bổ nhiệm làm Nhà khoa học trưởng của Vương quốc Anh Trung tâm điện toán lượng tử quốc gia (NQCC), một cơ sở quốc gia được ra mắt vào năm 2020 như một chương trình hàng đầu của NQTP. NQCC nhằm mục đích đẩy nhanh việc cung cấp điện toán lượng tử ở Vương quốc Anh bằng cách hợp tác với các nhóm nghiên cứu và khu vực thương mại để giải quyết các thách thức về quy mô.

Kashefi cho biết: “Một phần vai trò của tôi với NQCC là tập hợp các nhà phát triển ứng dụng và người dùng cuối để thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị hữu ích. “Chúng tôi hiện đang ở giai đoạn mà các yêu cầu về thuật toán có thể ảnh hưởng đến thiết kế của phần cứng, cho phép chúng tôi thu hẹp khoảng cách giữa trường hợp sử dụng mong muốn và máy mới nổi.”

Với nền tảng về khoa học máy tính, Kashefi từ lâu đã là người ủng hộ vai trò của phần mềm và thuật toán trong việc phát triển các giải pháp lượng tử. Cô điều phối chương trình nghiên cứu phần mềm trong Trung tâm điện toán và mô phỏng lượng tử (QCS), một tập đoàn gồm các trường đại học Vương quốc Anh được NQTP hỗ trợ, tập trung vào các thách thức khoa học quan trọng đối với điện toán lượng tử. Trung tâm này đã từng là bệ phóng cho một số công ty mới thành lập ủng hộ các giải pháp phần cứng và phần mềm khác nhau, và hiện đang hợp tác với NQCC để phát triển hệ sinh thái điện toán lượng tử của Vương quốc Anh bằng cách biến thế mạnh nghiên cứu thành công nghệ đổi mới.

Là một phần trong vai trò mới của mình, Kashefi sẽ hợp tác với NQCC để thành lập Phòng thí nghiệm phần mềm lượng tử tại Đại học Edinburgh, một sáng kiến ​​cốt lõi sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi quốc gia của chương trình NQCC. Cô ấy nói: “Thách thức về khả năng mở rộng mà chúng ta đang phải đối mặt với các qubit vật lý là một vấn đề mà phần mềm ứng dụng và khoa học máy tính có thể giúp giải quyết. “Chúng tôi có thể tối ưu hóa các yêu cầu đối với qubit bằng cách đồng phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển để giải quyết các nhu cầu của ứng dụng.”

Sự hợp tác phát triển như vậy đòi hỏi một cách tiếp cận đa ngành kết hợp kiến ​​thức về phần cứng lượng tử và xử lý thông tin với chuyên môn của các nhà toán học và nhà khoa học máy tính, những người hiểu cách giải quyết các vấn đề tính toán phức tạp.

Kashefi cho biết: “Kết nối với nguồn kiến ​​thức phong phú mà chúng tôi có trong khoa học máy tính cổ điển sẽ cho phép chúng tôi tối ưu hóa kiến ​​trúc hệ thống và hệ thống điều khiển, cũng như các giao thức để giảm thiểu và sửa lỗi, nhằm đạt được kết quả tốt nhất từ ​​nền tảng phần cứng”. “Ví dụ, những người làm việc trong lĩnh vực điện toán hiệu năng cao đã dành rất nhiều thời gian để tìm ra cách giải quyết các vấn đề tối ưu hóa và thông tin đầu vào của họ sẽ giúp đẩy nhanh quá trình phát triển các giải pháp lượng tử mang lại lợi thế về điện toán.”

Một con đường đầy hứa hẹn là phát triển các phương pháp lai kết hợp các thiết bị lượng tử mới nổi với cơ sở hạ tầng điện toán cổ điển. Ví dụ, NQCC là một đối tác trong Hợp tác QuPharma, một dự án trị giá 6.8 triệu bảng Anh nhằm giảm triệt để thời gian cần thiết để chạy mô phỏng phân tử để khám phá thuốc.

Dẫn đầu bởi nhà phát triển phần cứng SEEQC Vương quốc Anh và liên quan đến gã khổng lồ dược phẩm Đức Merck KgaA, dự án nhằm mục đích kết hợp bộ xử lý lượng tử của SEEQC với một siêu máy tính cổ điển để tạo ra một nền tảng mạnh mẽ hơn cho việc thiết kế thuốc. Kashefi chỉ ra: “Chúng ta cần hiểu những điểm khó khăn trong ngành để có thể biến chúng thành các vấn đề nghiên cứu mà máy tính lượng tử có thể giải quyết được.

Các dự án hợp tác như vậy dựa trên chuyên môn khoa học có trong lĩnh vực học thuật của Vương quốc Anh, nơi đã nuôi dưỡng nghiên cứu tầm cỡ thế giới về lý thuyết lượng tử, phần mềm và thuật toán cũng như công việc thử nghiệm điều tra tất cả các kiến ​​trúc qubit hàng đầu.

Kashefi cho biết: “Là một người tập trung vào các ứng dụng và xác minh, tôi rất vui khi có quyền truy cập vào các nền tảng qubit, từ các mạch siêu dẫn và các ion bị bẫy cho đến quang tử và các thiết bị dựa trên silicon,” Kashefi nói. “Khi chúng tôi viết mã, chúng tôi cần nhận thức được các khả năng và hạn chế của từng nền tảng qubit, vì một số ứng dụng có thể phù hợp hơn với mô hình tiếng ồn hoặc khả năng kết nối được cung cấp bởi một giải pháp phần cứng cụ thể.”

Ngành công nghiệp lượng tử mới nổi cũng được hưởng lợi từ sức mạnh của cơ sở khoa học ở Vương quốc Anh, với nhiều công ty khởi nghiệp lượng tử duy trì liên kết chặt chẽ với các nhóm nghiên cứu trước đây của họ để thúc đẩy công nghệ và đẩy nhanh các chương trình phát triển của họ.

David Lucas, nhà nghiên cứu chính của Trung tâm QCS và đồng lãnh đạo nhóm điện toán lượng tử bẫy ion tại Đại học Oxford, cho biết: “Khu vực học thuật hoạt động như một nhà máy sản xuất ý tưởng. “Mở rộng quy mô công nghệ là một thách thức kỹ thuật vượt ra ngoài khả năng của một bộ phận nghiên cứu trường đại học đơn lẻ.” Thật vậy, một vai trò quan trọng của NQCC là cung cấp cơ sở hạ tầng và tạo điều kiện thuận lợi cho sự hợp tác cần thiết để giải quyết những thách thức kỹ thuật này.

Sức mạnh tổng hợp đó giữa ngành công nghiệp và học viện đã đặc biệt hiệu quả trong việc phát triển nền tảng Maxwell, một hệ thống điện toán lượng tử nguyên tử trung tính thương mại được chứng minh bởi M bình phương, nhà phát triển công nghệ quang tử và lượng tử, tại Vương quốc Anh Trưng bày Công nghệ Lượng tử Quốc gia vào tháng 2022 năm 100. Phiên bản hiện tại của hệ thống có thể hỗ trợ 400 qubit và Giám đốc điều hành M Squared Graeme Malcolm cho biết có một lộ trình rõ ràng để mở rộng quy mô công nghệ lên XNUMX qubit và hơn thế nữa.

“Để tạo ra Maxwell, chúng tôi đã thiết lập quan hệ đối tác chiến lược với Đại học Strathclyde, nơi đã cung cấp cho công ty của chúng tôi khả năng tiếp cận với vật lý đột phá tầm cỡ thế giới,” Malcolm nói. “Thật tuyệt vời khi có một khoa đại học mạnh như vậy ngay trước cửa nhà của chúng tôi để chúng tôi có thể dựa vào kiến ​​thức chuyên môn, đồng thời chúng tôi có thể mang lại khả năng kỹ thuật cần thiết để phát triển một sản phẩm đáng tin cậy.”

Maxwell dựa trên kiến ​​trúc qubit nguyên tử trung tính được hoàn thiện bởi Jonathan Pritchard và nhóm nghiên cứu của ông tại Strathclyde. Nền tảng thử nghiệm, dựa trên công nghệ laser lõi của M Squared để điều khiển quá trình chuyển đổi năng lượng trong các nguyên tử cực lạnh, được phát triển thông qua Đối tác Thịnh vượng EPSRC có tên là Quảng trường.

Pritchard cho biết: “Chúng tôi đã hợp tác chặt chẽ với các kỹ sư quang tử tại M Squared để tối ưu hóa hiệu suất của laser và trong một số trường hợp để thiết kế các thiết bị mới phù hợp với các quy trình nguyên tử cụ thể mà chúng tôi cần. Trong khi đó, sự phát triển của hệ thống thương mại đã được kích hoạt bởi DISCOVERY chương trình, một dự án trị giá 10 triệu bảng Anh do M Squared điều phối và được hỗ trợ bởi chương trình Thử thách Công nghệ Lượng tử của Đổi mới Vương quốc Anh nhằm giải quyết các rào cản công nghệ đối với điện toán lượng tử thương mại.

Một trong những bước hợp tác tiếp theo sẽ là hợp tác với Andrew Daley, một chuyên gia về mô phỏng lượng tử và tính toán tại Đại học Strathclyde, để phát triển các thuật toán lượng tử thể hiện khả năng của nền tảng. Vào năm 2021, một nhóm nghiên cứu do Đại học Harvard ở Hoa Kỳ dẫn đầu đã chỉ ra rằng một hệ thống nguyên tử trung tính bao gồm 256 qubit có thể được sử dụng để mô phỏng và quan sát hành vi lượng tử của các hệ nhiều vật thể và đầu năm nay, nhóm đã sử dụng một hệ thống 289 qubit. phiên bản để chứng minh một con đường dẫn đến lợi thế lượng tử cho một lớp thuật toán lượng tử tương tự cụ thể.

Malcolm cho biết: “Hệ thống mà chúng tôi đã phát triển cùng với Đại học Strathclyde có khả năng cạnh tranh với các máy tính lượng tử nguyên tử trung tính tốt nhất trên thế giới. “Bây giờ chúng tôi muốn đưa một số thuật toán đó vào phần cứng mà chúng tôi đã trình diễn và thiết lập quan hệ đối tác để xem nơi nó có thể mang lại giá trị cho những thách thức trong thế giới thực.”

Nhu cầu thiết lập các giao thức đo điểm chuẩn và chứng nhận mạnh mẽ là một ưu tiên quan trọng khác đối với Kashefi và NQCC. Trong chương trình nghiên cứu của riêng mình, Kashefi đã tập trung vào việc phát triển các công cụ để xác minh và thử nghiệm, những công cụ mà bà tin rằng sẽ giúp đẩy nhanh quá trình phát triển của các công nghệ hứa hẹn nhất.

Cô ấy nói: “Khi các thiết bị khác nhau xuất hiện, chúng tôi cần biết cách đánh giá chúng và cách so sánh hiệu suất của chúng với các nền tảng khác. “Một khuôn khổ thử nghiệm đáng tin cậy cung cấp phản hồi quan trọng cho phép chúng tôi chuyển đổi nhanh hơn sang một chế độ mới.”

Vào năm 2021, NQCC đã đưa vào vận hành đường sông, một chuyên gia về phần mềm và thuật toán lượng tử, để phát triển bộ đo điểm chuẩn nhằm cho phép so sánh hiệu suất giữa các loại bộ xử lý lượng tử khác nhau. Một tập đoàn do Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia đứng đầu cũng đang nghiên cứu các số liệu chính cho điện toán lượng tử, nhằm hướng tới phát triển các tiêu chuẩn mở để củng cố sự phát triển công nghệ quốc tế. Kashefi cho biết: “NQCC không cố gắng thúc đẩy bất kỳ giải pháp phần cứng cụ thể nào, nhưng khả năng đánh giá các nền tảng khác nhau sẽ thực sự hữu ích để kích thích chương trình phát triển của chính chúng tôi cũng như hệ sinh thái rộng lớn hơn”.

Việc so sánh điểm chuẩn như vậy cũng sẽ giúp hiểu được nơi các giải pháp lượng tử mang lại lợi thế thực sự so với các kiến ​​trúc điện toán cổ điển. Kashefi tiếp tục: “Điện toán lượng tử là một công nghệ tuyệt vời và mang tính cách mạng, nhưng cuối cùng nó chỉ là một công cụ tính toán khác. “Đo điểm chuẩn phù hợp sẽ cho phép chúng tôi hiểu tác vụ nào phù hợp nhất với máy tính cổ điển và tác vụ nào có thể được tăng cường bằng giải pháp lượng tử.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/collaboration-provides-catalyst-for-quantum-acceleration/