Fra å bygge hybridarkitekturer til å takle komplekse grunnleggende spørsmål, kvantefysiker Mauro Paternostro skisserer det store potensialet som tilbys fra kvanteteknologilandskapet
Vi er midt i en kvanterenessanse, med forskere i akademia og industri som alle kjemper om å "vinne" kvanteberegningsløpet. Kvantemarkedet blomstrer, med mange selskaper, store og små, som investerer i denne teknologien, støttet av enorme statlige midler over hele verden.
Mauro Paternostro, en kvantefysiker ved University of Palermo og Queen's University Belfast, er en ekspert på kvanteinformasjonsbehandling og kvanteteknologi. Teamet hans jobber med grunnlaget for emnet og driver banebrytende forskning innen hulromsoptomekanikk, kvantekommunikasjon og mer. Han er også sjefredaktør for tidsskriftet IOP Publishing Kvantevitenskap og teknologi.
I dette omfattende intervjuet snakker Paternostro med Tushna Commissariat om hans syn på kvantelandskapet – fra de "fire pilarene" av kvanteteknologi og hybridarkitekturer til det lovende ekteskapet mellom kvanteteknologi og kunstig intelligens (AI). Paternostro understreker også behovet for fortsatt statlig finansiering for å realisere det sanne potensialet til denne verdensforandrende teknologien.
Vi har sett kvanteboblen blåse opp det siste tiåret, men hva er de potensielle fordelene og risikoene ved den eksponentielle ekspansjonen i kvanteteknologiselskaper og finansiering rundt om i verden?
Totalt sett er bildet veldig positivt. Kvanteinformasjonsbehandling trengte et løft fra industrien, ettersom bedrifter kan presse på for den mer pragmatiske utviklingen som feltet trenger. Perspektivet som industrien tilbyr er med på å forme kvanteteknologier på en mer fokusert måte, når det kommer til overordnede mål. Det spirende, eksploderende markedet – det være seg innen industri eller akademia – er flott.
Men, som du påpeker, har det vært en rask vekst. Og selv om det stort sett er en god ting, er det også en liten bekymring for at vi kan skape en stor boble som vil briste før heller enn senere. Så jeg tror det er et spørsmål om kontroll – vi må beherske oss litt, samtidig som vi lar forskningsområdet vokse organisk.
Jeg er litt bekymret for antallet små selskaper som alle ser ut til å utvikle sin egen kvanteprogramvare. Produktene deres har veldig lite med ekte kvantealgoritmer å gjøre og er typisk klassiske optimaliseringsløsninger – som har sine egne fordeler. Men de er ikke nødvendigvis det jeg vil kalle et kvanterammeverk.
På den annen side er noen spin-off-selskaper mer orientert mot implementering av kvanteprosesseringsplattformer, for eksempel kvantesensorer. Disse er virkelig interessante, siden det ikke bare er kvanteberegning som spiller, men også andre fysiske lover.
Det er fire pilarer som underbygger utviklingen av kvanteteknologi: kvanteberegning; kvantesimulering; kvantekommunikasjon; og kvantesansing og metrologi. Og jeg vil si at alle fire utvikler seg på en veldig sunn måte.
Kvantesansing ser ut til å være en av de mest avanserte, sammen med kommunikasjon takket være modenheten til teknologiene de kan utnytte. Selv om industriens involvering er fordelaktig og lovende, bør vi være på vakt mot de ville spekulasjonene og "inflasjonen" som kommer av å prøve å hoppe på en rask buss, uten å ha full billettpris for turen for hånden.
Og selv om jeg ofte er skeptisk til mindre selskaper, får du også noen ganger bekymringsfulle nyheter fra de store aktørene. For eksempel hadde det kinesiske teknologifirmaet Alibaba en interesse i å utvikle kvantedatabehandlingsplattformer og -løsninger, helt til det plutselig bestemte seg for å stenge det interne kvanteteamet på slutten av fjoråret, og sa at de heller ville fokusere på å være ledende innen AI-forskning.
Var dette rett og slett en forretningsavgjørelse, eller lukter Alibaba noe som vi ennå ikke har luktet? Jeg antar at vi må vente og se. Samlet sett tror jeg fremtiden er lys og involvering av industrien er veldig gode nyheter.
Det finnes en rekke forskjellige kvantedatabehandlingsteknologier som kjemper om topplasseringen – fra fangede ioner og kvanteprikker til superledende og fotoniske qubits. Hvilken tror du er mest sannsynlig å lykkes?
Jeg er en slags agnostiker, ved at jeg ikke tror at den første kvanteenheten vi bygger vil være fullstendig kvante. Jeg vet at dette er et kontroversielt valg for noen, men det er en mening som deles av mange andre innen mitt felt. Det jeg tror vi vil ende opp med er en hybridarkitektur, hvor det beste av høyytelses databehandling (HPC) vil grensesnitt med kvantedatabehandlingsarkitekturer.
Kanskje disse støyende mellomskala kvante (NISQ) arkitekturer vil få selskap av en fullverdig HPC-arkitektur som vil øke ytelsen deres, eller omvendt. Kvanteressursene som legges på bordet av denne typen hybridenheter vil forbedre ytelsen som dagens klassiske HPC kan produsere. Jeg tror sterkt på gjennomførbarheten av den typen hybridarkitektur – en fullstendig kvanteløsning er fortsatt et stykke unna der vi er nå.
Dessuten er jeg ikke helt overbevist om at vi vil ha muligheten til å administrere de enorme ressursene som vil være nødvendig for å utnytte gapet i beregningskraft som en kvantedatamaskin vil tilby. Et mellomlangsiktig mål for denne hybride HPC-kvantearkitekturen vil være en mye mer realistisk – og potensielt svært fruktbar arkitektur – å forfølge. Jeg er mildt sagt optimistisk på at noe vil dukke opp i løpet av livet mitt.
Du nevnte at kvantesensorer allerede utvikles for en lang rekke bruksområder, inkludert helsetjenester, konstruksjon og til og med gravitasjonsmåling. Hva er nytt og spennende på det området?
Kvantesensorer utvikler fantastiske evner for å undersøke mekanismer som så langt har vært unnvikende. I hovedsak hjelper disse sensorene oss til å bedre oppdage potensielle kvanteeffekter av krefter som tyngdekraften, som mange forskere i Storbritannia har en interesse i å forfølge. En betydelig del av det eksperimentelle samfunnet forfølger disse målene – med University of Birminghams kvanteknutepunkt som leder på denne fronten.
Jeg tror ikke at noen påstår at det er en vinnende eksperimentell plattform å forfølge – både kalde atomer og optomekanikk er noen av de mest lovende i så måte. Men den teoretiske og eksperimentelle fremgangen som dette området har oppnådd er veldig interessant.
Sensorer som kan undersøke den grunnleggende naturen til unnvikende fysiske mekanismer vil, tror jeg, være en nøkkelutvikling. Og så er det andre sanseenheter, for eksempel akselerometre eller bildeapparater som allerede er ganske godt etablert. De Storbritannias nasjonale kvanteteknologiprogram har allerede gjort betydelige fremskritt i den forbindelse, og teknologien er tilgjengelig og moden nok til å ha en reell innvirkning.
Jeg tror industrier bør investere tungt i dette området fordi, ved siden av kommunikasjon, er sansing i forkant av implementeringen av kvanteteknologier på dette stadiet.
Setter scenen for en kvantemarkedsplass: hvor kvantevirksomheten er opp til og hvordan den kan utvikle seg
Og hva med kvantekommunikasjon?
Kvantekommunikasjon er sannsynligvis det mest konkrete eksemplet hvor akademisk fremgang har blitt satt i verk, til fordel for industriledede mål. Det har vært et helt suverent eksempel på hva vi kan oppnå når disse to komponentene fungerer sammen.
Selv om fremgangen har vært fantastisk, er det også kontroversielle aspekter, spesielt når vi vurderer de større geopolitiske implikasjonene av et globalt kvantenettverk. Spørsmålet om kommunikasjon og datasikkerhet vil bli betydelig, så vi må nøye vurdere de bredere implikasjonene av denne teknologiske utviklingen. Geopolitiske grenser er i stadig endring, og målene deres er ikke alltid samtidige med vitenskapelige mål.
Hva er noen nøkkelområder der AI og kvanteteknologier krysser hverandre? Hvor hjelper de hverandre best, og hva er potensielle problemer?
Dette er et veldig viktig spørsmål. Unødvendig å si at den hellige gral for begge områdene er veldig nær – både AI og kvanteberegning er basert på utviklingen av nye algoritmer. Man hører folk snakke om kvantemaskinlæring (ML), eller kvante-AI, men det er ikke det de egentlig mener. De refererer ikke til spesifikt utformede kvantealgoritmer for AI- eller ML-problemer. Det de mener er hybridisering av klassisk maskinlæring eller klassisk AI med kvanteproblemer.
Disse løsningene vil avhenge av feltet og problemet vi prøver å takle. Men generelt ser vi på klassiske teknikker for å behandle datasett; optimalisering av problemer; løse kostnadsfunksjoner; og kontrollere, optimalisere og manipulere kvanteproblemer.
Det er veldig lovende, ettersom du setter sammen det beste fra de to verdenene. Fra et teoretisk synspunkt er målet å takle spørsmål på det generelle kvantemekaniske nivået som må tas opp, og kanskje de større og mer kompliserte problemene når det gjelder skala. Vi ønsker å bygge verktøy på algoritmisk nivå som lar deg takle kompleksiteten til disse problemene på en sertifiserbar og konsolidert måte.
Og det interessante er at eksperimenter har begynt å ta igjen den teoretiske utviklingen. Vi har allerede en rekke løsninger, tilnærminger og metoder som er utviklet i dette hybridscenarioet der ML og kvanteinformasjonsbehandling kommer sammen.
Jeg håper disse eksperimentene blir undersøkt fullt ut i løpet av de neste årene, og ikke blir fanget opp hvis AI- og kvanteboblen brister. Jeg tviler imidlertid på at det ville være tilfelle, fordi AI er kommet for å bli, mens ML nå er et verktøy som ikke kan gå glipp av, brukt av dataanalytikere over hele verden. Hvis vi har noen ambisjoner om å skalere opp kompleksiteten i problemene vi kan og bør takle, så må vi fokusere på å utvikle disse verktøyene.
Hvilke nye initiativer pågår på dette området?
Tidligere i år, Storbritannias forskning og innovasjon (UKRI) kunngjorde at de finansierer ni nye forskningsknutepunkter for å "levere revolusjonerende AI-teknologier" for å takle komplekse problemer fra helsevesen til energi, samt 10 andre studier for å definere "ansvarlig AI". Jeg vet at en rekke av disse har en kvantekomponent – spesielt i helsevesenet, hvor AI-baserte løsninger er helt grunnleggende, men det kan også finnes kvanteløsninger.
Så jeg er veldig optimistisk når det gjelder sammenslåingen av AI og kvanteteknologi, så lenge utviklingen av et AI-rammeverk er regulert. Akkurat nå er EU-kommisjonen formulerer det juridiske rammeverket for sin AI-lov, som vil adressere risikoen som AI kan utgjøre, og den globale rollen EU håper å spille i reguleringen av teknologien. Både Storbritannia og USA har jobbet med lignende rammeverk en stund allerede, så vi bør ha noen global politikk og regulering formulert, før heller enn senere.
Så lenge denne utviklingen følger en regulert policy med solid rammeverk, bør AIs interaksjoner med kvanteteknologier skape en nyttig toveis tilbakemeldingsmekanisme som vil hjelpe begge feltene til å vokse betydelig.
Når det gjelder finansiering av kvanteteknologi fra regjeringer over hele den globale scenen, hvilke spesifikke områder vil du se ytterligere investeringer i?
Mine tilskudd! Men på et mer seriøst notat, har investeringer på myndighetsnivå vært utbredt og betydelig for det som i hovedsak fortsatt er et fremvoksende vitenskapelig felt. Sammenlignet med noen andre områder som mottar vitenskapelig støtte, for eksempel militær eller medisinsk forskning, er beløpet som har blitt lagt på tallerkenen nesten latterlig – men det er selvfølgelig en veldig god ting for oss. En fordel med denne typen offentlige utgifter er at de tvinger oss til å danne et fellesskap og komme opp med felles mål.
Hvis vi viser til de nevnte fire pilarene, er det en underliggende sammenheng mellom grunnleggende fysikk og teoretiske utviklinger. Ulike land har valgt en eller flere pilarer å fokusere på, avhengig av deres kompetanse og ressurser. USA er veldig fokusert på beregning. EU er mer utbredt og derfor er situasjonen mer kompleks, men det er store investeringer i kommunikasjon, samt en økende interesse for simulering, mens en rekke nasjonale EU-strategier også er fokusert på sansing.
Storbritannia prøver også å dekke hele spekteret, men identifiserer noen veldig veldefinerte emner, fra bildebehandling til beregning, og fra kommunikasjon til sansing. Det er land som Finland som har en mer eksperimentell tilnærming og er fokusert på superledende arkitekturer, siden de allerede har enorme fasiliteter tilgjengelig. Singapore på sin side utvikler en meget sterk forskningslinje innen satellittbasert kvantekommunikasjon. For et lite land har det et enormt potensiale, både når det gjelder talent og ressurs.
Så forskjellige land har utviklet sitt eget kompetanseområde, på en organisk måte. Og ved å gjøre det vinner vi alle som et fellesskap – vi drar alle nytte av all fremgangen som er gjort. Noen små skritt, noen flere trinnvise skritt, noen store kvantesprang.
Jeg tror det vil være veldig viktig at regjeringer, nasjonale og supernasjonale, innser at investeringer i kvanteteknologier bør opprettholdes. Det er et område som trenger kontinuerlig, uavbrutt støtte for å nå sine høye mål. Og vi, som vitenskapelig miljø, må projisere et sammenhengende bilde med de samme målene, til tross for eventuelle forskjeller vi har. Først da vil vi være best posisjonert til å oversette kvanteteknologier til livsendrende realiteter.
Som ny sjefredaktør for Kvantevitenskap og teknologi (QST), hva er din visjon for journalen?
Det er en stor ære, og jeg er absolutt smigret, men det er også en stor innsats, gitt det utviklende landskapet av kvanterelaterte tidsskrifter. Det jeg ønsker for tidsskriftet er å sørge for at QST forblir en av de foretrukne veiene for innsending av førsteklasses bidrag. Men jeg vil også være med å forme tidsskriftets manifest og mål.
Min førsteprioritet som sjefredaktør har derfor vært å sette ned et hovedstyre som sammen med støtte fra redaksjonen skal forme tidsskriftets omfang og oppdrag på en tydelig måte. Og det vil da informere om hvordan tidsskriftet vil utvikle seg i løpet av de neste årene, veiledet av kvanteforskningsmiljøet. Når det gjelder omfanget, vil jeg gjerne se flere eksperimentelle oppdateringer av høy kvalitet som presser rammen for implementeringen av kvanteteknologier.
IOP Publishing har en transformativ avtale (TA) med institusjonen din, når det gjelder publisering med åpen tilgang. Kan du fortelle meg om det?
Jeg tror det har vært en spillskiftende avtale når det gjelder publisering av produksjonen vår. Med de strenge kriteriene som forskningsrådene har satt på resultater støttet av tilskudd – fra for eksempel Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) – og behovet for at de skal være fullt tilgjengelige, og data skal være fullt tilgjengelige for samfunnet, å ha en TA som garanterer åpen tilgang er det vi trenger. Det er flott å være trygg på at IOP Publishing er en levedyktig vei for hvor mine EPSRC-kompatible utdata kan publiseres.
Bortsett fra overholdelse av finansiering, fjerner IOPP-avtalen den administrative byrden ved å håndtere fakturaer for artikkelpubliseringskostnader (APCs), som er en stor lettelse for forskerne. Jeg har tatt til orde for å utvide initiativet – ved å etablere lignende avtaler med andre forlag – men også sørge for at dette ikke er et engangseksperiment som forsvinner i løpet av det neste året eller så. Vi bør gjøre det systemisk for måten institusjoner over ikke bare Storbritannia, men så vidt jeg er bekymret for, Europa er involvert. Det bør være innkapslet helt fra starten, slik høyere utdanningsinstitusjoner og forskningsinstitutter fungerer. Å sørge for at det er en synergi mellom forlagsselskaper og universiteter eller forskningsinstitutter er avgjørende.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
