מבניית ארכיטקטורות היברידיות ועד להתמודדות עם שאלות יסוד מורכבות, פיזיקאי קוונטים מאורו פטרנוסטרו מתאר את הפוטנציאל העצום המוצע מנוף הטכנולוגיה הקוונטית
אנחנו בעיצומה של רנסנס קוונטי, כאשר חוקרים באקדמיה ובתעשייה מתחרים כולם על "לנצח" במירוץ המחשוב הקוונטי. השוק הקוונטי פורח, עם עשרות חברות, גדולות וקטנות כאחד, המשקיעות בטכנולוגיה זו, מגובות במימון ממשלתי ענק ברחבי העולם.
מאורו פטרנוסטרו, פיזיקאי קוונטים באוניברסיטת פאלרמו ובאוניברסיטת קווינס בלפסט, הוא מומחה בעיבוד מידע קוונטי וטכנולוגיה קוונטית. בעבודה על יסודות הנושא, הצוות שלו עושה מחקר חלוצי באופטומכניקת חללים, תקשורת קוונטית ועוד. הוא גם העורך הראשי של כתב העת IOP Publishing מדע וטכנולוגיה קוונטים.
בראיון רחב היקף זה, פטרנוסטרו מדבר עם קומיסריאט טושנה על דעותיו על הנוף הקוונטי - מ"ארבעת עמודי התווך" של טכנולוגיה קוונטית וארכיטקטורות היברידיות ועד לנישואים המבטיחים בין טכנולוגיה קוונטית לבינה מלאכותית (AI). Paternostro גם מדגיש את הצורך במימון ממשלתי מתמשך כדי לממש את הפוטנציאל האמיתי של הטכנולוגיה הזו משנה עולמית.
ראינו את הבועה הקוונטית מתפוצצת בעשור האחרון, אבל מה הם היתרונות והסיכונים הפוטנציאליים של ההתרחבות האקספוננציאלית בחברות טכנולוגיה קוונטית ובמימון ברחבי העולם?
בסך הכל, התמונה חיובית מאוד. עיבוד מידע קוונטי הצריך דחיפה מהתעשייה, מכיוון שחברות יכולות לדחוף להתפתחויות היותר פרגמטיות שהתחום צריך. נקודת המבט שהתעשייה מציעה עוזרת לעצב טכנולוגיות קוונטיות בצורה ממוקדת יותר, בכל הנוגע למטרות כוללות. השוק המתפתח והמתפרץ - בין אם זה בתעשייה או באקדמיה - הוא נהדר.
אבל, כפי שציינת, חלה צמיחה מהירה. ולמרות שזה בעיקר דבר טוב, יש גם קצת דאגה שאולי אנחנו יוצרים בועה גדולה שתתפוצץ במוקדם ולא במאוחר. אז אני חושב שזה עניין של שליטה - אנחנו צריכים קצת לרסן את עצמנו, תוך כדי לאפשר לתחום המחקר לגדול באופן אורגני.
אני מודאג מעט ממספר החברות הקטנות שנראה שכולן מפתחות תוכנה קוונטית משלהן. למוצרים שלהם יש מעט מאוד קשר עם אלגוריתמים קוונטיים אמיתיים והם בדרך כלל פתרונות אופטימיזציה קלאסיים - שיש להם יתרונות משלהם. אבל הם לא בהכרח מה שהייתי מכנה מסגרת קוונטית.
מצד שני, כמה חברות ספין-אוף מכוונות יותר ליישום של פלטפורמות עיבוד קוונטיות, כמו חיישנים קוונטיים. אלה באמת מעניינים, מכיוון שלא מדובר רק בחישוב קוונטי, אלא גם בחוקים פיזיקליים אחרים.
ישנם ארבעה עמודי תווך העומדים בבסיס ההתפתחויות של הטכנולוגיה הקוונטית: מחשוב קוונטי; הדמיית קוונטים; תקשורת קוונטית; וחישה קוונטית ומטרולוגיה. והייתי אומר שכל הארבעה מתפתחים בצורה מאוד בריאה.
נראה כי חישה קוונטית היא מהמתקדמות ביותר, יחד עם תקשורת הודות לבגרות הטכנולוגיות שהם יכולים למנף. בעוד המעורבות של התעשייה מועילה ומבטיחה, עלינו להיזהר מהספקולציות וה"אינפלציה" הפרועות הנובעות מניסיון לקפוץ לאוטובוס מהיר, מבלי שהמחיר המלא עבור הנסיעה בהישג יד.
ולמרות שלעתים קרובות אני סקפטי לגבי חברות קטנות יותר, אתה גם מקבל לפעמים חדשות מודאגות מהשחקנים הגדולים. לדוגמה, לחברת הטכנולוגיה הסינית עליבאבא היה עניין בפיתוח פלטפורמות ופתרונות מחשוב קוונטי, עד שלפתע החליטה לסגור את צוות הקוונטי הפנימי שלה בסוף השנה שעברה, והצהירה שהיא מעדיפה להתמקד בלהיות מובילה במחקר בינה מלאכותית.
האם זו הייתה פשוט החלטה עסקית, או שעליבאבא מריחה משהו שעדיין לא הרחנו? אני מניח שנצטרך לחכות ולראות. בסך הכל, אני חושב שהעתיד מזהיר והמעורבות של התעשייה היא חדשות טובות מאוד.
ישנן מספר טכנולוגיות מחשוב קוונטי שונות המתחרות על המקום העליון - מיונים לכודים ונקודות קוונטיות ועד קיוביטים מוליכים ופוטונים. מה לדעתך הכי צפוי להצליח?
אני סוג של אגנוסטי, בכך שאני לא מאמין שהמכשיר הקוונטי הראשון שנבנה יהיה קוונטי מלא. אני יודע שעבור חלק זו החלטה שנויה במחלוקת, אבל זו דעה שחולקת על ידי רבים אחרים בתחום שלי. מה שלדעתי נסיים עם זה ארכיטקטורה היברידית, שבה הכי טוב מחשוב בעל ביצועים גבוהים (HPC) יתממשק עם ארכיטקטורות מחשוב קוונטי.
אולי אלה קוונטי בקנה מידה בינוני רועש (NISQ) לארכיטקטורות תצטרף ארכיטקטורת HPC מן המניין שתגביר את הביצועים שלהן, או להיפך. המשאבים הקוונטיים שמונחים על השולחן על ידי מכשיר היברידי מסוג זה ישפרו את הביצועים שה-HPC הקלאסי הנוכחי יכול לייצר. אני מאוד מאמין בהיתכנות של ארכיטקטורה היברידית מסוג זה - פתרון קוונטי מלא עדיין רחוק מהמקום בו אנו נמצאים כעת.
כמו כן, אני לא לגמרי משוכנע שתהיה לנו את היכולת לנהל את המשאבים האדירים שידרשו לניצול מלא של הפער בכוח החישוב שמחשב קוונטי יציע. יעד לטווח בינוני המכוון לארכיטקטורת הקוונטים ההיברידית של HPC זו תהיה ארכיטקטורה הרבה יותר מציאותית - ופוטנציאלית מאוד פורייה - לשאוף אליה. אני מעט אופטימי שמשהו יקרה במהלך חיי.
הזכרת שחיישנים קוונטיים כבר מפותחים למגוון רחב של יישומים כולל שירותי בריאות, בנייה ואפילו מדידת כוח הכבידה. מה חדש ומרגש בתחום?
חיישנים קוונטיים מפתחים יכולות מדהימות לחקור מנגנונים שעד כה היו חמקמקים. בעיקרו של דבר, חיישנים אלה עוזרים לנו לזהות טוב יותר את ההשפעות הקוונטיות הפוטנציאליות של כוחות כמו כוח הכבידה, אשר לחוקרים רבים בבריטניה יש אינטרס לרדוף אחריהם. חלק ניכר מקהילת הניסויים שואפת למטרות אלו - כשהמרכז הקוונטי של אוניברסיטת ברמינגהם מוביל בחזית זו.
אני לא חושב שמישהו טוען שיש פלטפורמה ניסויית מנצחת להמשיך - גם אטומים קרים וגם אופטומכניקה הם מהמבטיחים ביותר מבחינה זו. אבל ההתקדמות התיאורטית והניסויית שהתחום הזה השיג מעניינת מאוד.
חיישנים שיכולים לחקור את הטבע הבסיסי של מנגנונים פיזיים חמקמקים יהיו, אני מאמין, התפתחות מפתח. ואז יש מכשירי חישה אחרים, כמו מדי תאוצה או צילום תמונות שכבר די מבוססים. ה התוכנית הלאומית לטכנולוגיות קוונטיות של בריטניה כבר עשה התקדמות משמעותית בהקשר זה, והטכנולוגיה זמינה ובוגרת מספיק כדי להשפיע ממשית.
אני חושב שתעשיות צריכות להשקיע רבות בתחום הזה מכיוון שלצד התקשורת, החישה נמצאת בחזית ההטמעות של טכנולוגיות קוונטיות בשלב זה.
הגדרת הסצנה לשוק קוונטי: לאן עומדים העסקים הקוונטיים וכיצד הם עשויים להתפתח
ומה לגבי תקשורת קוונטית?
תקשורת קוונטית היא כנראה הדוגמה הקונקרטית ביותר שבה התקדמות אקדמית הופעלה, לטובת יעדים מובילים בתעשייה. זו הייתה דוגמה מעולה לחלוטין למה שאנחנו יכולים להשיג כששני המרכיבים האלה עובדים יחד.
אמנם ההתקדמות הייתה פנטסטית, אבל יש גם היבטים שנויים במחלוקת, במיוחד כשאנחנו בוחנים את ההשלכות הגיאופוליטיות הגדולות יותר של רשת קוונטית גלובלית. נושא התקשורת ואבטחת המידע יהפוך למשמעותי, ולכן עלינו לשקול היטב את ההשלכות הרחבות יותר של התפתחויות טכנולוגיות אלו. גבולות גיאופוליטיים משתנים ללא הרף, והמטרות שלהם לא תמיד תואמות את המטרות המדעיות.
מהם כמה תחומים מרכזיים שבהם טכנולוגיות AI וקוונטי מצטלבות? היכן הם עוזרים זה לזה בצורה הטובה ביותר, ומהן בעיות פוטנציאליות?
זו שאלה חשובה מאוד. מיותר לציין שהגביע הקדוש לשני האזורים קרוב מאוד - גם AI וגם חישוב קוונטי מבוססים על פיתוח של אלגוריתמים חדשים. שומעים אנשים מדברים על למידת מכונה קוונטית (ML), או AI קוונטי, אבל לא לזה הם באמת מתכוונים. הם לא מתייחסים לאלגוריתמים קוונטיים שתוכננו במיוחד עבור בעיות AI או ML. מה שהם מתכוונים הוא הכלאה של למידת מכונה קלאסית או AI קלאסי עם בעיות קוונטיות.
פתרונות אלו יהיו תלויים בתחום ובבעיה בה אנו מנסים להתמודד. אבל באופן כללי אנחנו מסתכלים על טכניקות קלאסיות לעיבוד מערכי נתונים; ייעול בעיות; פתרון פונקציות עלות; ושליטה, ייעול ומניפולציה של בעיות קוונטיות.
זה מאוד מבטיח, מכיוון שאתה מרכיב את הטוב משני העולמות. מנקודת מבט תיאורטית, המטרה היא להתמודד עם שאלות ברמה הקוונטית-מכנית הכללית שיש להתייחס אליהן, ואולי עם הבעיות הגדולות והמסובכות יותר מבחינת קנה מידה. אנו רוצים לבנות כלים ברמה האלגוריתמית המאפשרים לך להתמודד עם המורכבות של אותן בעיות באופן בר אישור ומאוחד.
והדבר המעניין הוא שהניסויים התחילו להדביק את ההתפתחויות התיאורטיות. יש לנו כבר מספר פתרונות, גישות ומתודולוגיות שפותחו בתרחיש היברידי זה שבו ML ועיבוד מידע קוונטי מתאחדים.
אני מקווה שהניסויים האלה ייחקרו במלואם בשנים הקרובות, ושלא ייתפסו אם הבינה הבינה המלאכותית והבועה הקוונטית אכן יתפוצצו. עם זאת, אני בספק אם זה יהיה המקרה, כי בינה מלאכותית כאן כדי להישאר, בעוד ש-ML הוא כעת כלי שאי אפשר לפספס בו משתמשים מנתחי נתונים ברחבי העולם. אם יש לנו שאיפה להגדיל את המורכבות של הבעיות שאנו יכולים וצריכים להתמודד איתם, אז עלינו להתמקד בפיתוח הכלים הללו.
אילו יוזמות חדשות מתרחשות בתחום זה?
מוקדם יותר השנה, מחקר וחדשנות בבריטניה (UKRI) הודיעה כי היא מממנת תשעה מוקדי מחקר חדשים כדי "לספק טכנולוגיות בינה מלאכותית מהפכניות" להתמודדות עם בעיות מורכבות משירותי בריאות ועד אנרגיה וכן 10 מחקרים אחרים להגדרת "בינה מלאכותית אחראית". אני יודע שלמספר כאלה יש מרכיב קוונטי - במיוחד בתחום הבריאות, שבהם פתרונות מבוססי בינה מלאכותית הם בסיסיים לחלוטין, אבל ייתכנו גם פתרונות קוונטיים.
אז אני מאוד אופטימי בכל הנוגע למיזוג של AI וטכנולוגיה קוונטית, כל עוד הפיתוח של מסגרת בינה מלאכותית מוסדר. כרגע, ה הנציבות האירופית מגבשת את המסגרת המשפטית לחוק הבינה המלאכותית שלה, שיתייחס לסיכונים שבינה מלאכותית עשויה להוות, ולתפקיד הגלובלי שהאיחוד האירופי מקווה למלא בוויסות הטכנולוגיה. גם בריטניה וגם ארה"ב עבדו על מסגרות דומות כבר זמן מה, אז כדאי שנגבש מדיניות ורגולציה גלובלית, במוקדם ולא במאוחר.
כל עוד פיתוח זה עוקב אחר מדיניות מוסדרת עם מסגרת מוצקה, האינטראקציות של AI עם טכנולוגיות קוונטיות אמורות ליצור מנגנון משוב דו-כיווני שימושי שיעזור לשני התחומים לצמוח באופן משמעותי.
כשמדובר במימון טכנולוגיה קוונטית על ידי ממשלות ברחבי הבמה העולמית, באילו תחומים ספציפיים היית רוצה לראות השקעה נוספת?
המענקים שלי! אבל בנימה רצינית יותר, ההשקעה ברמת הממשלה הייתה נרחבת ומהותית עבור מה שהוא עדיין תחום מדעי מתפתח. בהשוואה לכמה תחומים אחרים שמקבלים מימון מדעי, כמו מחקר צבאי או רפואי, סכום הכסף שהונח על הצלחת הוא כמעט מגוחך - אבל זה דבר טוב מאוד עבורנו כמובן. היתרון של הוצאות ממשלתיות מסוג זה הוא בכך שהיא מאלצת אותנו להקים קהילה ולהמציא מטרות משותפות.
אם נתייחס לארבעת עמודי התווך הנ"ל, יש קשר בסיסי בין פיזיקה בסיסית והתפתחויות תיאורטיות. מדינות שונות בחרו בנדבך אחד או יותר להתמקד בו, בהתאם למומחיות ולמשאבים שלהן. ארה"ב מתמקדת מאוד בחישוב. האיחוד האירופי נפוץ יותר ולכן המצב מורכב יותר, אבל יש השקעה גדולה בתקשורת, כמו גם עניין גובר בסימולציה, בעוד שמספר אסטרטגיות לאומיות של האיחוד האירופי מתמקדות גם בחישה.
בריטניה גם מנסה לכסות את כל הספקטרום, אבל מזהה כמה נושאים מוגדרים היטב, מהדמיה ועד חישוב, ומתקשורת ועד חישה. יש מדינות כמו פינלנד שיש להן גישה ניסיונית יותר והן מתמקדות בארכיטקטורות מוליכות-על, שכן יש להן כבר מתקנים ענקיים זמינים. סינגפור, לעומת זאת, מפתחת קו חזק מאוד של מחקר בתקשורת קוונטית מבוססת לוויינים. עבור מדינה קטנה, יש לה פוטנציאל עצום, הן מבחינת כישרון והן מבחינת משאבים.
אז מדינות שונות פיתחו תחום מומחיות משלהן, בצורה אורגנית. ועל ידי כך, כולנו מנצחים כקהילה – כולנו נהנים מכל ההתקדמות שנעשתה. כמה צעדי תינוק, עוד כמה צעדים מצטברים, כמה קפיצות קוונטיות ענקיות.
אני חושב שזה יהיה ממש חשוב שממשלות, לאומיות וסופר לאומיות, יבינו שצריך להמשיך בהשקעה בטכנולוגיות קוונטיות. זה תחום שזקוק לתמיכה רציפה ובלתי פוסקת כדי לספק את מטרותיו הנעלות. ואנחנו, כקהילה המדעית, חייבים להקרין תמונה קוהרנטית עם אותה מערכת יעדים, למרות כל ההבדלים שיש לנו. רק אז נהיה במקומות הטובים ביותר לתרגם טכנולוגיות קוונטיות למציאות משנה חיים.
בתור העורך הראשי החדש של מדע וטכנולוגיה קוונטים (QST), מה החזון שלך לגבי היומן?
זה כבוד גדול, ואני בהחלט מוחמא, אבל זה גם מאמץ גדול, בהתחשב בנוף המתפתח של כתבי עת הקשורים לקוונטים. מה שאני רוצה עבור היומן הוא לוודא ש-QST יישאר אחד מהדרכים המועדפות להגשת תרומות מהשורה הראשונה. אבל אני גם רוצה לעזור לעצב את המניפסט של כתב העת ואת מטרותיו.
העדיפות הראשונה שלי כעורך ראשי הייתה אפוא להקים ועד מנהל שיחד עם תמיכת המערכת יעצב את היקפו ומשימתו של כתב העת בצורה ברורה. וזה יודיע על הדרך שבה יתפתח כתב העת במהלך השנים הקרובות, בהנחיית קהילת המחקר הקוונטית. מבחינת ההיקף, הייתי רוצה לראות עוד עדכונים ניסיוניים איכותיים שדוחפים את המעטפת של הטמעת טכנולוגיות קוונטיות.
להוצאת IOP יש א הסכם טרנספורמטיבי (ת"א) עם המוסד שלך, מבחינת פרסום בגישה פתוחה. אתה יכול לספר לי על זה?
אני חושב שזה היה הסכם שמשנה את המשחק בכל הנוגע לפרסום התפוקה שלנו. עם הקריטריונים המחמירים שמועצות המחקר הציבו לתפוקות הנתמכות במענקים - ממועצה לחקר מדעי ההנדסה והפיזיקה (EPSRC) למשל - והצורך שיהיו נגישים במלואם, והנתונים יהיו זמינים במלואם לקהילה, יש לנו TA שמבטיח גישה פתוחה זה מה שאנחנו צריכים. זה נהדר לקבל את השקט הנפשי שפרסום IOP הוא שדרה קיימא למקום שבו ניתן לפרסם את הפלטים התואמים ל-EPSRC שלי.
מלבד עמידה במימון, הסכם IOPP מסיר את הנטל האדמיניסטרטיבי של טיפול בחשבוניות עבור חיובי פרסום מאמרים (APCs) אשר מהווה הקלה גדולה עבור המדענים. אני דוגל בהרחבת היוזמה - על ידי הקמת הסכמים דומים עם חברות הוצאה לאור אחרות - אבל גם לוודא שלא מדובר בניסוי נקודתי שייעלם בשנה הקרובה. אנחנו צריכים להפוך את זה למערכתי לאופן שבו מוסדות ברחבי בריטניה מעורבים לא רק, אלא מבחינתי באירופה. זה צריך להיות מובלע כבר מההתחלה, באופן שבו פועלים מוסדות להשכלה גבוהה ומכוני מחקר. חשוב לוודא שיש סינרגיה בין חברות הוצאה לאור לבין אוניברסיטאות או מכוני מחקר.
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
