Od budowania architektur hybrydowych po rozwiązywanie złożonych, podstawowych pytań, fizyk kwantowy Mauro Paternostro przedstawia ogromny potencjał oferowany przez krajobraz technologii kwantowej
Jesteśmy w trakcie renesansu kwantowego, a badacze ze środowiska akademickiego i przemysłowego rywalizują o „wygranie” wyścigu obliczeń kwantowych. Rynek kwantowy kwitnie, a dziesiątki firm, zarówno dużych, jak i małych, inwestuje w tę technologię, przy wsparciu ogromnych funduszy rządowych na całym świecie.
Mauro Paternostro, fizyk kwantowy z Uniwersytetu w Palermo i Queen's University w Belfaście, jest ekspertem w dziedzinie kwantowego przetwarzania informacji i technologii kwantowej. Pracując nad podstawami tematu, jego zespół prowadzi pionierskie badania z zakresu optomechaniki wnękowej, komunikacji kwantowej i nie tylko. Jest także redaktorem naczelnym czasopisma IOP Publishing Nauka i technologia kwantowa.
W tym obszernym wywiadzie Paternostro rozmawia z Komisariatem Tushna o swoich poglądach na krajobraz kwantowy – od „czterech filarów” technologii kwantowej i architektur hybrydowych po obiecujące mariaż technologii kwantowej i sztucznej inteligencji (AI). Paternostro podkreśla również potrzebę dalszego finansowania rządowego, aby wykorzystać prawdziwy potencjał tej zmieniającej świat technologii.
W ciągu ostatniej dekady byliśmy świadkami pękania bańki kwantowej, ale jakie są potencjalne korzyści i ryzyko związane z wykładniczą ekspansją firm zajmujących się technologią kwantową i finansowaniem na całym świecie?
Ogólnie obraz jest bardzo pozytywny. Kwantowe przetwarzanie informacji wymagało wsparcia ze strony przemysłu, ponieważ firmy mogą naciskać na bardziej pragmatyczne zmiany potrzebne w tej dziedzinie. Perspektywa, jaką oferuje przemysł, pomaga kształtować technologie kwantowe w bardziej ukierunkowany sposób, jeśli chodzi o ogólne cele. Pączkujący i eksplodujący rynek – czy to w przemyśle, czy w środowisku akademickim – jest świetny.
Jednak, jak zauważyłeś, nastąpił szybki wzrost. I choć jest to w większości pozytywne zjawisko, pojawia się również obawa, że możemy stworzyć wielką bańkę, która prędzej czy później pęknie. Myślę więc, że jest to kwestia kontroli – rzeczywiście musimy się nieco powstrzymać, jednocześnie pozwalając obszarowi badawczemu na organiczny rozwój.
Jestem nieco zaniepokojony liczbą małych firm, z których wszystkie wydają się opracowywać własne oprogramowanie kwantowe. Ich produkty mają niewiele wspólnego z prawdziwymi algorytmami kwantowymi i są typowo klasycznymi rozwiązaniami optymalizacyjnymi – które mają swoje zalety. Ale niekoniecznie są one tym, co nazwałbym strukturą kwantową.
Z drugiej strony część firm typu spin-off jest bardziej zorientowana na wdrażanie platform przetwarzania kwantowego, takich jak czujniki kwantowe. Są one naprawdę interesujące, ponieważ w grę wchodzą nie tylko obliczenia kwantowe, ale także inne prawa fizyczne.
Rozwój technologii kwantowej opiera się na czterech filarach: obliczenia kwantowe; symulacja kwantowa; komunikacja kwantowa; oraz wykrywanie kwantowe i metrologia. I powiedziałbym, że cała czwórka rozwija się bardzo zdrowo.
Detekcja kwantowa wydaje się być jedną z najbardziej zaawansowanych, podobnie jak komunikacja, dzięki dojrzałości technologii, które mogą wykorzystać. Chociaż zaangażowanie przemysłu jest korzystne i obiecujące, powinniśmy wystrzegać się dzikich spekulacji i „inflacji” wynikających z prób wskoczenia do szybkiego autobusu, nie mając pod ręką pełnej opłaty za przejazd.
I chociaż często jestem sceptyczny wobec mniejszych firm, czasami docierają do mnie niepokojące wieści od dużych graczy. Na przykład chińska firma technologiczna Alibaba była zainteresowana rozwojem platform i rozwiązań obliczeń kwantowych, dopóki pod koniec ubiegłego roku nagle nie zdecydowała się zamknąć swój wewnętrzny zespół ds. technologii kwantowych, stwierdzając, że wolałaby skupić się na byciu liderem w badaniach nad sztuczną inteligencją.
Czy była to po prostu decyzja biznesowa, czy też Alibaba wyczuwa coś, czego my jeszcze nie wyczuliśmy? Chyba będziemy musieli poczekać i zobaczyć. Ogólnie rzecz biorąc, myślę, że przyszłość jest jasna, a zaangażowanie przemysłu to bardzo dobra wiadomość.
O pierwsze miejsce walczy wiele różnych technologii obliczeń kwantowych – od uwięzionych jonów i kropek kwantowych po nadprzewodnictwo i kubity fotoniczne. Jak myślisz, co ma największe szanse powodzenia?
Jestem swego rodzaju agnostykiem, ponieważ nie wierzę, że pierwsze urządzenie kwantowe, które zbudujemy, będzie w pełni kwantowe. Wiem, że dla niektórych jest to kontrowersyjne podejście, ale jest to opinia podzielana przez wiele osób zajmujących się moją dziedziną. Myślę, że skończymy na architekturze hybrydowej, w której to, co najlepsze obliczenia o wysokiej wydajności (HPC) będzie współpracować z architekturami obliczeń kwantowych.
Może te hałaśliwy kwant średniej skali (NISQ) do architektur HPC dołączy pełnoprawna architektura HPC, która zwiększy ich wydajność i odwrotnie. Zasoby kwantowe dostępne w tego rodzaju urządzeniu hybrydowym zwiększą wydajność, jaką mogą zapewnić obecne klasyczne HPC. Mocno wierzę w wykonalność tego rodzaju architektury hybrydowej – do rozwiązania w pełni kwantowego jest jeszcze daleko od tego, gdzie jesteśmy obecnie.
Nie jestem też do końca przekonany, czy będziemy w stanie zarządzać ogromnymi zasobami, które byłyby potrzebne do pełnego wykorzystania luki w mocy obliczeniowej, jaką oferowałby komputer kwantowy. Średnioterminowym celem stawianym hybrydowej architekturze kwantowej HPC będzie znacznie bardziej realistyczna – i potencjalnie bardzo owocna – architektura. Jestem umiarkowanym optymistą, że coś się wydarzy w moim życiu.
Wspomniał pan, że czujniki kwantowe są już opracowywane do szerokiego zakresu zastosowań, w tym w służbie zdrowia, budownictwie, a nawet do pomiaru grawitacji. Co nowego i ekscytującego w tej dziedzinie?
Czujniki kwantowe rozwijają niesamowite możliwości badania mechanizmów, które dotychczas były nieuchwytne. Zasadniczo czujniki te pomagają nam lepiej wykrywać potencjalne efekty kwantowe sił takich jak grawitacja, czym interesuje się wielu badaczy w Wielkiej Brytanii. Znaczna część społeczności eksperymentalnej realizuje te cele, a liderem w tym zakresie jest centrum kwantowe Uniwersytetu w Birmingham.
Nie sądzę, aby ktokolwiek twierdził, że istnieje zwycięska platforma eksperymentalna, na której można się oprzeć – zarówno zimne atomy, jak i optomechanika są pod tym względem jednymi z najbardziej obiecujących. Jednak postęp teoretyczny i eksperymentalny, jaki osiągnął w tej dziedzinie, jest bardzo interesujący.
Uważam, że kluczowym osiągnięciem będą czujniki, które będą w stanie zbadać fundamentalną naturę nieuchwytnych mechanizmów fizycznych. Istnieją także inne urządzenia wykrywające, takie jak akcelerometry lub kamery obrazujące, które są już dość dobrze ugruntowane. The Brytyjski Narodowy Program Technologii Kwantowych poczyniła już znaczne postępy w tym zakresie, a technologia jest dostępna i wystarczająco dojrzała, aby wywrzeć realny wpływ.
Uważam, że przemysł powinien dużo inwestować w tym obszarze, ponieważ na tym etapie, obok komunikacji, wykrywanie stanowi główną część wdrażania technologii kwantowych.
Przygotowanie sceny dla rynku kwantowego: gdzie jest biznes kwantowy i jak może się rozwinąć
A co z komunikacją kwantową?
Komunikacja kwantowa jest prawdopodobnie najbardziej konkretnym przykładem zastosowania postępu akademickiego z korzyścią dla celów kierowanych przez przemysł. To absolutnie wspaniały przykład tego, co możemy osiągnąć, gdy te dwa elementy współpracują ze sobą.
Chociaż postęp jest fantastyczny, istnieją również aspekty kontrowersyjne, zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę szersze implikacje geopolityczne globalnej sieci kwantowej. Kwestia komunikacji i bezpieczeństwa danych stanie się istotna, dlatego musimy dokładnie rozważyć szersze konsekwencje tego rozwoju technologicznego. Granice geopolityczne nieustannie się zmieniają, a ich cele nie zawsze są zbieżne z celami naukowymi.
Jakie są kluczowe obszary, w których sztuczna inteligencja i technologie kwantowe się krzyżują? Gdzie najlepiej pomagają sobie nawzajem i jakie są potencjalne problemy?
To bardzo ważne pytanie. Nie trzeba dodawać, że Święty Graal w obu obszarach jest bardzo blisko – zarówno sztuczna inteligencja, jak i obliczenia kwantowe opierają się na opracowywaniu nowych algorytmów. Słyszy się ludzi mówiących o kwantowym uczeniu maszynowym (ML) lub kwantowej sztucznej inteligencji, ale tak naprawdę nie to mają na myśli. Nie odnoszą się one do specjalnie zaprojektowanych algorytmów kwantowych do rozwiązywania problemów AI lub ML. Mają na myśli hybrydyzację klasycznego uczenia maszynowego lub klasycznej sztucznej inteligencji z problemami kwantowymi.
Rozwiązania te będą zależeć od dziedziny i problemu, z którym chcemy się zmierzyć. Ale ogólnie rzecz biorąc, patrzymy na klasyczne techniki przetwarzania zbiorów danych; optymalizacja problemów; rozwiązywanie funkcji kosztu; oraz kontrolowanie, optymalizacja i manipulowanie problemami kwantowymi.
To bardzo obiecujące, ponieważ łączysz to, co najlepsze z tych dwóch światów. Z teoretycznego punktu widzenia celem jest rozwiązanie problemów na ogólnym poziomie mechaniki kwantowej, którymi należy się zająć, a także być może większych i bardziej skomplikowanych problemów pod względem skali. Chcemy budować narzędzia na poziomie algorytmicznym, które pozwolą w sposób certyfikowany i skonsolidowany poradzić sobie ze złożonością tych problemów.
Interesujące jest to, że eksperymenty zaczęły doganiać rozwój teoretyczny. Mamy już szereg rozwiązań, podejść i metodologii opracowanych w ramach tego hybrydowego scenariusza, w którym łączy się uczenie maszynowe i kwantowe przetwarzanie informacji.
Mam nadzieję, że te eksperymenty zostaną w pełni zbadane w ciągu najbliższych kilku lat i że nie dajcie się złapać, jeśli pęknie bańka AI i kwantowa. Wątpię jednak, aby tak było, ponieważ sztuczna inteligencja pozostanie na stałe, podczas gdy ML jest obecnie narzędziem, którego nie można pominąć przez analityków danych na całym świecie. Jeżeli mamy ambicje zwiększania złożoności problemów, którymi możemy i powinniśmy się zająć, musimy skupić się na rozwoju tych narzędzi.
Jakie nowe inicjatywy powstają w tym obszarze?
Wcześniej w tym roku, Badania i innowacje w Wielkiej Brytanii (UKRI) ogłosiła, że finansuje dziewięć nowych ośrodków badawczych, aby „dostarczać rewolucyjne technologie sztucznej inteligencji” w celu rozwiązywania złożonych problemów, od opieki zdrowotnej po energię, a także 10 innych badań mających na celu zdefiniowanie „odpowiedzialnej sztucznej inteligencji”. Wiem, że wiele z nich ma element kwantowy – zwłaszcza w opiece zdrowotnej, gdzie rozwiązania oparte na sztucznej inteligencji mają absolutnie fundamentalne znaczenie, ale mogą istnieć również rozwiązania kwantowe.
Jestem zatem bardzo optymistyczny, jeśli chodzi o połączenie sztucznej inteligencji i technologii kwantowej, pod warunkiem, że rozwój ram sztucznej inteligencji będzie uregulowany. W tej chwili Komisja Europejska formułuje ramy prawne dla swojej ustawy o sztucznej inteligencji, który obejmie ryzyko, jakie może stwarzać sztuczna inteligencja, oraz globalną rolę, jaką UE ma nadzieję odegrać w regulowaniu tej technologii. Zarówno Wielka Brytania, jak i Stany Zjednoczone już od jakiegoś czasu pracują nad podobnymi ramami, dlatego powinniśmy raczej wcześniej niż później sformułować pewną globalną politykę i regulacje.
Dopóki rozwój ten będzie przebiegał zgodnie z uregulowaną polityką o solidnych ramach, interakcje sztucznej inteligencji z technologiami kwantowymi powinny stworzyć użyteczny dwukierunkowy mechanizm sprzężenia zwrotnego, który pomoże w znaczącym rozwoju obu dziedzin.
Jeśli chodzi o finansowanie technologii kwantowej przez rządy na całym świecie, w jakich konkretnych obszarach chciałbyś widzieć dalsze inwestycje?
Moje granty! Ale mówiąc poważniej, inwestycje na szczeblu rządowym są szeroko rozpowszechnione i znaczące w zasadniczo wciąż wschodzącej dziedzinie nauki. W porównaniu z niektórymi innymi dziedzinami, które otrzymują finansowanie nauki, takimi jak badania wojskowe czy medyczne, kwota pieniędzy, która została wylana na talerz, jest wręcz absurdalna – ale oczywiście jest to dla nas bardzo dobra rzecz. Zaletą tego rodzaju wydatków rządowych jest to, że zmuszają nas do tworzenia społeczności i wypracowywania wspólnych celów.
Jeśli odniesiemy się do wyżej wymienionych czterech filarów, istnieje podstawowe połączenie podstawowej fizyki i rozwoju teoretycznego. Różne kraje wybrały jeden lub więcej filarów, na których chcą się skoncentrować, w zależności od swojej wiedzy specjalistycznej i zasobów. USA bardzo skupiają się na obliczeniach. UE jest bardziej rozpowszechniona, a zatem sytuacja jest bardziej złożona, ale inwestuje się w nią znaczne inwestycje w komunikację, a także rośnie zainteresowanie symulacją, podczas gdy wiele krajowych strategii UE koncentruje się również na wykrywaniu.
Wielka Brytania również stara się objąć całe spektrum, ale identyfikuje kilka bardzo dobrze zdefiniowanych tematów, od obrazowania po obliczenia i od komunikacji po wykrywanie. Są kraje takie jak Finlandia, które mają bardziej eksperymentalne podejście i skupiają się na architekturach nadprzewodzących, ponieważ dysponują już ogromnymi dostępnymi obiektami. Singapur natomiast rozwija bardzo silny kierunek badań w zakresie satelitarnej komunikacji kwantowej. Jak na mały kraj ma ogromny potencjał, zarówno pod względem talentu, jak i zasobów.
Zatem różne kraje w sposób organiczny rozwinęły swoje własne obszary specjalizacji. Postępując w ten sposób, wszyscy odnosimy sukcesy jako społeczność – wszyscy czerpiemy korzyści z poczynionego postępu. Kilka małych kroków, kilka bardziej stopniowych kroków, kilka ogromnych skoków kwantowych.
Myślę, że naprawdę ważne będzie, aby rządy krajowe i ponadnarodowe zdały sobie sprawę, że należy utrzymać inwestycje w technologie kwantowe. Jest to obszar, który potrzebuje ciągłego, nieprzerwanego wsparcia, aby osiągnąć swoje wzniosłe cele. A my, jako społeczność naukowa, musimy stworzyć spójny obraz z tymi samymi celami, pomimo wszelkich różnic, jakie nas dzielą. Tylko wtedy będziemy w stanie najlepiej przełożyć technologie kwantowe na rzeczywistość zmieniającą życie.
Jako nowy redaktor naczelny Nauka i technologia kwantowa (QST), jaka jest Twoja wizja czasopisma?
To wielki zaszczyt i bardzo mi to schlebia, ale jest to także duże przedsięwzięcie, biorąc pod uwagę ewoluujący krajobraz czasopism poświęconych tematyce kwantowej. Zależy mi na tym, aby czasopismo miało pewność, że QST pozostanie jedną z preferowanych metod przesyłania artykułów na najwyższym poziomie. Ale chcę też pomóc w kształtowaniu manifestu pisma i jego celów.
Dlatego moim pierwszym priorytetem jako redaktora naczelnego było powołanie zarządu, który przy wsparciu redakcji będzie w jasny sposób kształtował zakres i misję czasopisma. To zadecyduje o kierunku rozwoju czasopisma w ciągu najbliższych kilku lat, pod przewodnictwem społeczności zajmującej się badaniami kwantowymi. Jeśli chodzi o zakres, chciałbym zobaczyć więcej wysokiej jakości aktualizacji eksperymentalnych, które przesuwają granice wdrażania technologii kwantowych.
Wydawnictwo IOP ma porozumienie transformacyjne (TA) z Twoją instytucją w zakresie publikacji w otwartym dostępie. Możesz mi o tym opowiedzieć?
Uważam, że było to porozumienie zmieniające zasady gry, jeśli chodzi o publikację naszych wyników. Biorąc pod uwagę rygorystyczne kryteria, jakie rady ds. badań naukowych nałożyły na wyniki wspierane przez granty – na przykład Rady ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC) – oraz konieczność ich pełnej dostępności, a dane muszą być w pełni dostępne dla społeczności, posiadanie pomocy technicznej gwarantującej otwarty dostęp jest tym, czego potrzebujemy. Wspaniale jest mieć pewność, że IOP Publishing to realne miejsce, w którym można publikować moje wyniki zgodne z EPSRC.
Oprócz zgodności z finansowaniem, umowa IOPP usuwa obciążenie administracyjne związane z fakturowaniem opłat za publikację artykułu (APC), co stanowi dużą ulgę dla naukowców. Apelowałem o poszerzenie inicjatywy – poprzez zawieranie podobnych porozumień z innymi wydawnictwami – ale też o to, by nie był to jednorazowy eksperyment, który zaniknie w ciągu najbliższego roku. Powinniśmy zapewnić systemowe zaangażowanie instytucji nie tylko w Wielkiej Brytanii, ale, jeśli o mnie chodzi, w Europie. Należy to ująć od samego początku w sposobie funkcjonowania uczelni i instytutów badawczych. Kluczowe znaczenie ma zapewnienie synergii między wydawnictwami a uniwersytetami lub instytutami badawczymi.
- Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
- PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
- PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
- PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
- Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
- Źródło: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
