Van het bouwen van hybride architecturen tot het aanpakken van complexe fundamentele vragen, kwantumfysicus Mauro Paternostro schetst het enorme potentieel dat het kwantumtechnologielandschap te bieden heeft
We bevinden ons midden in een kwantumrenaissance, waarbij onderzoekers uit de academische wereld en de industrie allemaal strijden om de kwantumcomputerrace te ‘winnen’. De kwantummarkt bloeit, met tientallen bedrijven, groot en klein, die in deze technologie investeren, ondersteund door enorme overheidsfinanciering over de hele wereld.
Mauro Paternostro, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Palermo en Queen's University Belfast, is een expert op het gebied van kwantuminformatieverwerking en kwantumtechnologie. Zijn team werkt aan de fundamenten van het onderwerp en doet baanbrekend onderzoek op het gebied van holte-optomechanica, kwantumcommunicatie en meer. Hij is tevens hoofdredacteur van het tijdschrift IOP Publishing Kwantumwetenschap en technologie.
In dit uitgebreide interview praat Paternostro met het Tushna Commissariaat over zijn visie op het kwantumlandschap – van de ‘vier pijlers’ van kwantumtechnologie en hybride architecturen tot het veelbelovende huwelijk tussen kwantumtechnologie en kunstmatige intelligentie (AI). Paternostro onderstreept ook de noodzaak van voortdurende overheidsfinanciering om het ware potentieel van deze wereldveranderende technologie te realiseren.
We hebben de kwantumzeepbel de afgelopen tien jaar zien ontploffen, maar wat zijn de potentiële voordelen en risico's van de exponentiële expansie van kwantumtechnologiebedrijven en financiering over de hele wereld?
Over het geheel genomen is het beeld zeer positief. De verwerking van kwantuminformatie had een impuls nodig van de industrie, omdat bedrijven kunnen aandringen op de meer pragmatische ontwikkelingen die het veld nodig heeft. Het perspectief dat de industrie biedt, helpt kwantumtechnologieën op een meer gerichte manier vorm te geven als het gaat om algemene doelstellingen. De ontluikende, exploderende markt – of het nu in de industrie of in de academische wereld is – is geweldig.
Maar zoals u aangeeft, heeft er een snelle groei plaatsgevonden. En hoewel dat vooral een goede zaak is, bestaat er ook enige zorg dat we een grote zeepbel creëren die vroeg of laat zal barsten. Ik denk dus dat het een kwestie van controle is. We moeten onszelf enigszins in bedwang houden, terwijl we de onderzoeksruimte organisch laten groeien.
Ik maak me enigszins zorgen over het aantal kleine bedrijven dat allemaal hun eigen kwantumsoftware lijkt te ontwikkelen. Hun producten hebben heel weinig te maken met echte kwantumalgoritmen en zijn typisch klassieke optimalisatieoplossingen – die hun eigen voordelen hebben. Maar ze zijn niet noodzakelijkerwijs wat ik een kwantumraamwerk zou noemen.
Aan de andere kant zijn sommige spin-offbedrijven meer gericht op de implementatie van kwantumverwerkingsplatforms, zoals kwantumsensoren. Deze zijn echt interessant, omdat het niet alleen om kwantumberekeningen gaat, maar ook om andere natuurkundige wetten.
Er zijn vier pijlers die ten grondslag liggen aan de ontwikkelingen van de kwantumtechnologie: kwantumcomputing; kwantumsimulatie; kwantumcommunicatie; en kwantumdetectie en metrologie. En ik zou zeggen dat ze zich alle vier op een zeer gezonde manier ontwikkelen.
Kwantumdetectie lijkt een van de meest geavanceerde te zijn, samen met communicatie, dankzij de volwassenheid van de technologieën die ze kunnen gebruiken. Hoewel de betrokkenheid van de industrie nuttig en veelbelovend is, moeten we op onze hoede zijn voor de wilde speculatie en ‘inflatie’ die voortkomt uit pogingen om in een snelle bus te springen, zonder het volledige tarief voor de rit bij de hand te hebben.
En hoewel ik vaak sceptisch ben over kleinere bedrijven, krijg je soms ook verontrustend nieuws van de grote spelers. Het Chinese technologiebedrijf Alibaba had bijvoorbeeld belang bij de ontwikkeling van quantumcomputerplatforms en -oplossingen, totdat het eind vorig jaar plotseling besloot zijn interne quantumteam te sluiten, omdat het zich liever wilde concentreren op het leiden van AI-onderzoek.
Was dit gewoon een zakelijke beslissing, of ruikt Alibaba iets dat we nog niet hebben geroken? Ik denk dat we zullen moeten afwachten. Over het geheel genomen denk ik dat de toekomst rooskleurig is en dat de betrokkenheid van de industrie heel goed nieuws is.
Er zijn een aantal verschillende kwantumcomputertechnologieën die strijden om de eerste plaats – van gevangen ionen en kwantumdots tot supergeleidende en fotonische qubits. Welke denkt u dat de meeste kans van slagen heeft?
Ik ben een soort agnost, in die zin dat ik niet geloof dat het eerste kwantumapparaat dat we bouwen volledig kwantum zal zijn. Ik weet dat dit voor sommigen een controversiële visie is, maar het is een mening die door veel anderen in mijn vakgebied wordt gedeeld. Wat ik denk dat we zullen bereiken is een hybride architectuur, waar het beste van is high-performance computing (HPC) zal communiceren met quantumcomputerarchitecturen.
Misschien deze luidruchtige kwantum op middelmatige schaal (NISQ) architecturen zullen worden vergezeld door een volwaardige HPC-architectuur die hun prestaties zal verbeteren, of omgekeerd. De kwantumbronnen die dit soort hybride apparaten op tafel leggen, zullen de prestaties verbeteren die de huidige klassieke HPC kan produceren. Ik geloof sterk in de haalbaarheid van dat soort hybride architectuur – een volledig kwantumoplossing is nog ver verwijderd van waar we nu zijn.
Bovendien ben ik er niet helemaal van overtuigd dat we in staat zullen zijn om de enorme hulpbronnen te beheren die nodig zijn om volledig gebruik te maken van de kloof in rekenkracht die een kwantumcomputer zou bieden. Een middellangetermijndoelstelling voor deze hybride HPC-kwantumarchitectuur zal een veel realistischer – en potentieel zeer vruchtbaar – architectuur zijn om na te streven. Ik ben lichtelijk optimistisch dat er iets zal gebeuren in mijn leven.
U zei dat kwantumsensoren al worden ontwikkeld voor een breed scala aan toepassingen, waaronder de gezondheidszorg, de bouw en zelfs zwaartekrachtmetingen. Wat is er nieuw en spannend op dat gebied?
Kwantumsensoren ontwikkelen verbazingwekkende mogelijkheden om mechanismen te onderzoeken die tot nu toe ongrijpbaar waren. In wezen helpen deze sensoren ons om de potentiële kwantumeffecten van krachten zoals de zwaartekracht beter te detecteren, waar veel onderzoekers in Groot-Brittannië belang bij hebben. Een substantieel deel van de experimentele gemeenschap streeft deze doelen na – waarbij de kwantumhub van de Universiteit van Birmingham op dit front voorop loopt.
Ik denk niet dat iemand beweert dat er een winnend experimenteel platform bestaat om na te streven – zowel koude atomen als optomechanica behoren in dat opzicht tot de meest veelbelovende. Maar de theoretische en experimentele vooruitgang die dit gebied heeft geboekt is zeer interessant.
Sensoren die de fundamentele aard van ongrijpbare fysieke mechanismen kunnen onderzoeken, zullen, denk ik, een belangrijke ontwikkeling zijn. En dan zijn er nog andere detectieapparaten, zoals versnellingsmeters of beeldsensoren, die al behoorlijk ingeburgerd zijn. De Het Britse National Quantum Technologies Program heeft in dat opzicht al aanzienlijke vooruitgang geboekt en de technologie is beschikbaar en volwassen genoeg om een echte impact te hebben.
Ik denk dat industrieën zwaar op dit gebied moeten investeren omdat, naast communicatie, detectie in dit stadium voorop loopt bij de implementatie van kwantumtechnologieën.
De toon zetten voor een kwantummarktplaats: waar de kwantumbusiness aan toe is en hoe deze zich zou kunnen ontvouwen
En hoe zit het met kwantumcommunicatie?
Kwantumcommunicatie is waarschijnlijk het meest concrete voorbeeld van academische vooruitgang, ten behoeve van door de industrie geleide doelstellingen. Het is een absoluut fantastisch voorbeeld geweest van wat we kunnen bereiken als deze twee componenten samenwerken.
Hoewel de vooruitgang fantastisch is geweest, zijn er ook controversiële aspecten, vooral als we kijken naar de grotere geopolitieke implicaties van een mondiaal kwantumnetwerk. De kwestie van communicatie en gegevensbeveiliging zal belangrijk worden, dus we moeten de bredere implicaties van deze technologische ontwikkelingen zorgvuldig overwegen. Geopolitieke grenzen veranderen voortdurend en hun doelstellingen komen niet altijd overeen met wetenschappelijke doelstellingen.
Wat zijn enkele belangrijke gebieden waar AI en kwantumtechnologieën elkaar kruisen? Waar kunnen ze elkaar het beste helpen en wat zijn mogelijke problemen?
Dit is een heel belangrijke vraag. Het is onnodig om te zeggen dat de heilige graal voor beide gebieden heel dichtbij ligt: zowel AI als kwantumberekeningen zijn gebaseerd op de ontwikkeling van nieuwe algoritmen. Je hoort mensen praten over quantum machine learning (ML) of quantum AI, maar dat is niet wat ze echt bedoelen. Ze verwijzen niet naar specifiek ontworpen kwantumalgoritmen voor AI- of ML-problemen. Wat ze bedoelen is de hybridisatie van klassiek machinaal leren of klassieke AI met kwantumproblemen.
Deze oplossingen zullen afhangen van het vakgebied en het probleem dat we proberen aan te pakken. Maar over het algemeen kijken we naar klassieke technieken voor het verwerken van datasets; het optimaliseren van problemen; kostenfuncties oplossen; en het beheersen, optimaliseren en manipuleren van kwantumproblemen.
Het is veelbelovend, aangezien je het beste van twee werelden samenbrengt. Vanuit theoretisch oogpunt is het de bedoeling om vragen op het algemene kwantummechanische niveau aan te pakken die moeten worden aangepakt, en misschien ook de grotere en meer gecompliceerde problemen in termen van schaal. We willen tools bouwen op algoritmisch niveau waarmee u op een certificeerbare en geconsolideerde manier met de complexiteit van deze problemen kunt omgaan.
En het interessante is dat experimenten de theoretische ontwikkelingen beginnen in te halen. We hebben al een aantal oplossingen, benaderingen en methodologieën ontwikkeld in dit hybride scenario waarin ML en kwantuminformatieverwerking samenkomen.
Ik hoop dat deze experimenten de komende jaren volledig worden onderzocht en dat ze niet verstrikt raken als de AI- en kwantumzeepbel barst. Ik betwijfel echter of dit het geval zal zijn, omdat AI een blijvertje is, terwijl ML nu een onmisbare tool is die door data-analisten over de hele wereld wordt gebruikt. Als we enige ambitie hebben om de complexiteit van de problemen die we kunnen en moeten aanpakken op te schalen, dan moeten we ons concentreren op de ontwikkeling van deze instrumenten.
Welke nieuwe initiatieven zijn er op dit gebied gaande?
Eerder dit jaar, UK Onderzoek en Innovatie (UKRI) heeft aangekondigd dat het negen nieuwe onderzoekscentra financiert om “revolutionaire AI-technologieën te leveren” om complexe problemen van gezondheidszorg tot energie aan te pakken, evenals tien andere onderzoeken om “verantwoordelijke AI” te definiëren. Ik weet dat een aantal hiervan een kwantumcomponent hebben – vooral in de gezondheidszorg, waar op AI gebaseerde oplossingen absoluut fundamenteel zijn, maar er kunnen ook kwantumoplossingen zijn.
Ik ben dus erg optimistisch als het gaat om de fusie van AI en kwantumtechnologie, zolang de ontwikkeling van een AI-framework gereguleerd wordt. Op dit moment is de De Europese Commissie formuleert het juridisch kader voor haar AI-wet, waarin de risico's zullen worden aangepakt die AI met zich mee kan brengen, en de mondiale rol die de EU hoopt te spelen bij het reguleren van de technologie. Zowel Groot-Brittannië als de VS werken al een tijdje aan soortgelijke raamwerken, dus we zouden vroeg of laat mondiaal beleid en mondiale regelgeving moeten formuleren.
Zolang deze ontwikkeling een gereguleerd beleid met een solide raamwerk volgt, zouden de interacties van AI met kwantumtechnologieën een nuttig tweerichtingsfeedbackmechanisme moeten creëren dat beide velden aanzienlijk zal helpen groeien.
Als het gaat om de financiering van kwantumtechnologie door overheden over de hele wereld, op welke specifieke gebieden zou u dan graag verdere investeringen zien?
Mijn subsidies! Maar op een serieuzere toon zijn de investeringen op overheidsniveau wijdverspreid en substantieel geweest in wat in wezen nog steeds een opkomend wetenschappelijk gebied is. Vergeleken met sommige andere gebieden die wetenschapsfinanciering ontvangen, zoals militair of medisch onderzoek, is de hoeveelheid geld die op het bord is gezet bijna belachelijk – maar voor ons is het natuurlijk een heel goede zaak. Een voordeel van dit soort overheidsuitgaven is dat het ons dwingt een gemeenschap te vormen en gedeelde doelen te bedenken.
Als we naar de bovengenoemde vier pijlers verwijzen, is er een onderliggend verband tussen fundamentele natuurkunde en theoretische ontwikkelingen. Verschillende landen hebben één of meer pijlers gekozen waarop zij zich willen concentreren, afhankelijk van hun expertise en middelen. De VS zijn erg gefocust op berekeningen. De EU is wijdverspreider en dus is de situatie complexer, maar er wordt groot geïnvesteerd in communicatie, evenals een groeiende belangstelling voor simulatie, terwijl een aantal nationale strategieën van de EU ook op detectie zijn gericht.
Groot-Brittannië probeert ook het hele spectrum te bestrijken, maar identificeert een aantal zeer goed gedefinieerde onderwerpen, van beeldvorming tot berekeningen, en van communicatie tot detectie. Er zijn landen zoals Finland die een meer experimentele aanpak hanteren en zich richten op supergeleidende architecturen, omdat ze al over enorme faciliteiten beschikken. Singapore daarentegen ontwikkelt een zeer sterke onderzoekslijn op het gebied van op satellieten gebaseerde kwantumcommunicatie. Voor een klein land heeft het een enorm potentieel, zowel qua talent als qua middelen.
Verschillende landen hebben dus op organische wijze hun eigen expertisegebied ontwikkeld. En door dit te doen winnen we allemaal als gemeenschap – we profiteren allemaal van alle vooruitgang die is geboekt. Sommige babystapjes, nog wat meer stapsgewijze stappen, enkele enorme kwantumsprongen.
Ik denk dat het heel belangrijk zal zijn dat regeringen, nationaal en supernationaal, beseffen dat investeringen in kwantumtechnologieën moeten worden volgehouden. Het is een gebied dat voortdurende, ononderbroken steun nodig heeft om zijn verheven doelen te verwezenlijken. En wij, als wetenschappelijke gemeenschap, moeten een samenhangend beeld schetsen met precies dezelfde reeks doelstellingen, ondanks de verschillen die we hebben. Alleen dan zullen we het best geplaatst zijn om kwantumtechnologieën te vertalen naar levensveranderende realiteiten.
Als nieuwe hoofdredacteur van Kwantumwetenschap en technologie (QST), wat is uw visie voor het tijdschrift?
Het is een grote eer, en ik ben absoluut gevleid, maar het is ook een grote onderneming, gezien het evoluerende landschap van kwantumgerelateerde tijdschriften. Wat ik voor het tijdschrift wil, is ervoor zorgen dat QST een van de voorkeurskanalen blijft voor het indienen van eersteklas bijdragen. Maar ik wil ook helpen het manifest en de doelstellingen van het tijdschrift vorm te geven.
Mijn eerste prioriteit als hoofdredacteur is dan ook het opzetten van een bestuur dat samen met de steun van de redactie de reikwijdte en missie van het tijdschrift op heldere wijze vorm zal geven. En dat zal dan bepalend zijn voor de manier waarop het tijdschrift zich de komende jaren zal ontwikkelen, geleid door de kwantumonderzoeksgemeenschap. Wat de reikwijdte betreft, zou ik graag meer experimentele updates van hoge kwaliteit zien die de grenzen van de implementatie van kwantumtechnologieën verleggen.
IOP Publishing heeft een transformatieve overeenkomst (TA) met uw instelling, op het gebied van open access publiceren. Kun je mij daarover vertellen?
Ik denk dat het een baanbrekende overeenkomst is geweest wat betreft de publicatie van onze resultaten. Met de strenge criteria die de onderzoeksraden hebben gesteld aan resultaten die worden ondersteund door subsidies – bijvoorbeeld van de Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) – en de noodzaak dat deze volledig toegankelijk zijn en dat gegevens volledig beschikbaar zijn voor de gemeenschap, het hebben van een TA die open toegang garandeert, is wat we nodig hebben. Het is geweldig om de gemoedsrust te hebben dat IOP Publishing een haalbare weg is waar mijn EPSRC-compatibele output kan worden gepubliceerd.
Afgezien van de financiering van de naleving, neemt de IOPP-overeenkomst de administratieve lasten weg van het omgaan met facturen voor de publicatiekosten van artikelen (APC's), wat een grote opluchting is voor de wetenschappers. Ik heb gepleit voor een verbreding van het initiatief – door soortgelijke overeenkomsten te sluiten met andere uitgeverijen – maar ik heb er ook voor gezorgd dat dit geen eenmalig experiment is dat het komende jaar of zo zal verdwijnen. We moeten het systematisch maken voor de manier waarop instellingen in Groot-Brittannië, maar wat mij betreft ook in Europa, betrokken zijn. Het moet vanaf het begin worden ingekapseld in de manier waarop instellingen voor hoger onderwijs en onderzoeksinstituten functioneren. Het is van cruciaal belang dat er synergie ontstaat tussen uitgeverijen en universiteiten of onderzoeksinstituten.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
