Od gradnje hibridnih arhitektur do reševanja kompleksnih temeljnih vprašanj, kvantni fizik Mauro Paternostro opisuje ogromen potencial, ki ga ponuja krajina kvantne tehnologije
Smo sredi kvantne renesanse, pri čemer raziskovalci v akademskih krogih in industriji tekmujejo za »zmago« v tekmi kvantnega računalništva. Kvantni trg je v razcvetu, s številnimi podjetji, velikimi in majhnimi, ki vlagajo v to tehnologijo, podprta z ogromnim vladnim financiranjem po vsem svetu.
Mauro Paternostro, kvantni fizik na Univerzi v Palermu in Queen's University Belfast, je strokovnjak za kvantno obdelavo informacij in kvantno tehnologijo. Njegova ekipa, ki dela na temeljih predmeta, opravlja pionirsko raziskavo v optomehaniki votlin, kvantni komunikaciji in drugod. Je tudi glavni urednik revije IOP Publishing Kvantna znanost in tehnologija.
V tem obsežnem intervjuju se Paternostro pogovarja s Tushna Commissariat o svojih pogledih na kvantno pokrajino – od »štirih stebrov« kvantne tehnologije in hibridnih arhitektur do obetajoče poroke med kvantno tehnologijo in umetno inteligenco (AI). Paternostro tudi poudarja potrebo po nadaljnjem vladnem financiranju za uresničitev resničnega potenciala te tehnologije, ki spreminja svet.
V zadnjem desetletju smo videli, kako je kvantni balon napihnil, toda kakšne so možne prednosti in tveganja eksponentne širitve podjetij in financiranja kvantne tehnologije po vsem svetu?
Na splošno je slika zelo pozitivna. Kvantna obdelava informacij je potrebovala spodbudo industrije, saj si lahko podjetja prizadevajo za bolj pragmatičen razvoj, ki ga področje potrebuje. Perspektiva, ki jo ponuja industrija, pomaga oblikovati kvantne tehnologije na bolj osredotočen način, ko gre za splošne cilje. Nastajajoči, eksplozivni trg – pa naj bo v industriji ali akademiji – je odličen.
Toda, kot poudarjate, je prišlo do hitre rasti. In čeprav je to večinoma dobra stvar, je tudi malo skrbi, da morda ustvarjamo velik mehurček, ki bo prej kot slej počil. Zato mislim, da je to stvar nadzora – nekoliko se moramo omejiti, hkrati pa raziskovalnemu področju dovoliti organsko rast.
Nekoliko sem zaskrbljen zaradi števila majhnih podjetij, za katera se zdi, da vsa razvijajo lastno kvantno programsko opremo. Njihovi izdelki imajo zelo malo skupnega s pravimi kvantnimi algoritmi in so običajno klasične optimizacijske rešitve – ki imajo svoje prednosti. Niso pa nujno tisto, čemur bi jaz rekel kvantni okvir.
Po drugi strani pa so nekatera odcepljena podjetja bolj usmerjena v implementacijo kvantnih procesnih platform, kot so kvantni senzorji. Te so res zanimive, saj ne gre le za kvantno računanje, ampak tudi za druge fizikalne zakone.
Obstajajo štirje stebri, ki podpirajo razvoj kvantne tehnologije: kvantno računalništvo; kvantna simulacija; kvantna komunikacija; ter kvantno zaznavanje in meroslovje. In rekel bi, da se vsi štirje razvijajo zelo zdravo.
Zdi se, da je kvantno zaznavanje eno najnaprednejših, skupaj s komunikacijo, zahvaljujoč zrelosti tehnologij, ki jih lahko uporabljajo. Medtem ko je sodelovanje industrije koristno in obetavno, moramo biti previdni glede divjih špekulacij in »inflacije«, ki izhaja iz poskusa skoka na hitri avtobus, ne da bi imeli pri roki polno ceno vožnje.
In čeprav sem pogosto skeptičen do manjših podjetij, včasih dobite zaskrbljujoče novice od velikih igralcev. Kitajsko tehnološko podjetje Alibaba se je na primer zanimalo za razvoj kvantnih računalniških platform in rešitev, dokler se konec lanskega leta nenadoma ni odločilo zapreti svoje interne kvantne ekipe in izjavilo, da se bo raje osredotočilo na to, da bo vodilno v raziskavah AI.
Je bila to le poslovna odločitev ali Alibaba voha nekaj, česar mi še nismo? Mislim, da bomo morali počakati in videti. Na splošno mislim, da je prihodnost svetla in da je sodelovanje industrije zelo dobra novica.
Obstaja več različnih tehnologij kvantnega računalništva, ki se potegujejo za prvo mesto – od ujetih ionov in kvantnih pik do superprevodnih in fotonskih kubitov. Kateri menite, da bo najverjetneje uspel?
Sem nekakšen agnostik, saj ne verjamem, da bo prva kvantna naprava, ki jo izdelamo, popolnoma kvantna. Vem, da je za nekatere to kontroverzno mnenje, toda to mnenje delijo mnogi drugi na mojem področju. Mislim, da bomo na koncu dobili hibridno arhitekturo, kjer je najboljše visoko zmogljivo računalništvo (HPC) bo povezoval z arhitekturami kvantnega računalništva.
Mogoče te hrupni kvant vmesne lestvice (NISQ) arhitekturah se bo pridružila popolna HPC arhitektura, ki bo povečala njihovo zmogljivost, ali obratno. Kvantni viri, ki jih ponuja tovrstna hibridna naprava, bodo povečali zmogljivost, ki jo lahko proizvede trenutni klasični HPC. Močno verjamem v izvedljivost te vrste hibridne arhitekture – popolnoma kvantna rešitev je še daleč od tega, kar smo zdaj.
Prav tako nisem povsem prepričan, da bomo imeli sposobnost upravljanja ogromnih virov, ki bi bili potrebni za popolno izrabo vrzeli v računalniški moči, ki bi jo ponudil kvantni računalnik. Srednjeročni cilj za to hibridno kvantno arhitekturo HPC bo veliko bolj realistična – in potencialno zelo plodna arhitektura – za zasledovanje. Rahlo sem optimističen, da se bo v mojem življenju kaj zgodilo.
Omenili ste, da se kvantni senzorji že razvijajo za najrazličnejše aplikacije, vključno z zdravstvom, gradbeništvom in celo merjenjem gravitacije. Kaj je novega in vznemirljivega na tem področju?
Kvantni senzorji razvijajo neverjetne zmožnosti za raziskovanje mehanizmov, ki so bili doslej neulovljivi. V bistvu nam ti senzorji pomagajo bolje zaznati morebitne kvantne učinke sil, kot je gravitacija, za katere se zanimajo številni raziskovalci v Združenem kraljestvu. Precejšen del eksperimentalne skupnosti si prizadeva za te cilje – s kvantnim središčem Univerze v Birminghamu, ki je vodilno na tem področju.
Mislim, da nihče ne trdi, da obstaja zmagovalna eksperimentalna platforma, ki bi ji sledila – tako hladni atomi kot optomehanika sta v tem pogledu nekaj najbolj obetavnih. Toda teoretični in eksperimentalni napredek, ki ga je doseglo to področje, je zelo zanimiv.
Senzorji, ki lahko raziskujejo temeljno naravo nedosegljivih fizičnih mehanizmov, bodo po mojem mnenju ključni razvoj. In potem so tu še druge senzorske naprave, kot so merilniki pospeška ali slikovne naprave, ki so že precej uveljavljene. The Nacionalni program kvantnih tehnologij Združenega kraljestva je v zvezi s tem že precej napredovala, tehnologija pa je na voljo in dovolj zrela, da ima resničen učinek.
Mislim, da bi morale industrije veliko vlagati v to področje, ker je poleg komunikacije zaznavanje v ospredju implementacij kvantnih tehnologij na tej stopnji.
Postavitev prizorišča za kvantno tržnico: kaj namerava kvantno poslovanje in kako bi se lahko razvilo
Kaj pa kvantna komunikacija?
Kvantna komunikacija je verjetno najbolj konkreten primer, kjer je akademski napredek deloval v korist ciljev, ki jih vodi industrija. To je bil absolutno odličen primer, kaj lahko dosežemo, ko ti dve komponenti delujeta skupaj.
Čeprav je bil napredek fantastičen, obstajajo tudi sporni vidiki, zlasti če upoštevamo večje geopolitične posledice globalnega kvantnega omrežja. Vprašanje varnosti komunikacije in podatkov bo postalo pomembno, zato moramo skrbno razmisliti o širših posledicah tega tehnološkega razvoja. Geopolitične meje se nenehno spreminjajo in njihovi cilji niso vedno skladni z znanstvenimi cilji.
Na katerih ključnih področjih se križajo AI in kvantne tehnologije? Kje si najbolje pomagajo in kakšne so možne težave?
To je zelo pomembno vprašanje. Ni treba posebej poudarjati, da je sveti gral za obe področji zelo blizu – tako AI kot kvantno računanje temeljita na razvoju novih algoritmov. Človek sliši ljudi, ki govorijo o kvantnem strojnem učenju (ML) ali kvantni umetni inteligenci, vendar to ni tisto, kar v resnici mislijo. Ne mislijo na posebej zasnovane kvantne algoritme za težave z umetno inteligenco ali strojnim učenjem. Pomenijo hibridizacijo klasičnega strojnega učenja ali klasične umetne inteligence s kvantnimi težavami.
Te rešitve bodo odvisne od področja in problema, ki se ga poskušamo lotiti. Toda na splošno gledamo na klasične tehnike za obdelavo nizov podatkov; optimizacijske težave; reševanje stroškovnih funkcij; in nadzor, optimizacija in manipulacija kvantnih problemov.
To je zelo obetavno, saj združujete najboljše iz obeh svetov. S teoretičnega vidika je cilj obravnavanje vprašanj na splošni kvantno-mehanski ravni, ki jih je treba obravnavati, in morda večjih in bolj zapletenih problemov v smislu obsega. Želimo zgraditi orodja na algoritemski ravni, ki vam omogočajo, da se spopadete s kompleksnostjo teh težav na certificiran in konsolidiran način.
In zanimivo je, da so poskusi začeli dohitevati teoretični razvoj. Imamo že številne rešitve, pristope in metodologije, ki so bile razvite v tem hibridnem scenariju, kjer se združita ML in kvantna obdelava informacij.
Upam, da bodo ti poskusi v naslednjih nekaj letih v celoti raziskani in da se ne bomo ujeli, če bosta umetna inteligenca in kvantni mehurček počila. Dvomim, da bi bilo tako, ker je umetna inteligenca tu, da ostane, medtem ko je ML zdaj nezgrešljivo orodje, ki ga uporabljajo analitiki podatkov po vsem svetu. Če želimo povečati kompleksnost problemov, s katerimi se lahko in moramo spoprijeti, se moramo osredotočiti na razvoj teh orodij.
Katere nove pobude se dogajajo na tem področju?
V začetku tega leta, UK Raziskave in inovacije (UKRI) je napovedal, da financira devet novih raziskovalnih središč za "zagotavljanje revolucionarnih tehnologij umetne inteligence" za reševanje zapletenih problemov od zdravstva do energije ter 10 drugih študij za opredelitev "odgovorne umetne inteligence". Vem, da ima veliko teh kvantno komponento – zlasti v zdravstvu, kjer so rešitve, ki temeljijo na AI, absolutno temeljne, vendar lahko obstajajo tudi kvantne rešitve.
Zato sem zelo optimističen, ko gre za združitev umetne inteligence in kvantne tehnologije, dokler je razvoj okvira umetne inteligence reguliran. Prav zdaj, Evropska komisija oblikuje pravni okvir za svoj zakon o AI, ki bo obravnaval tveganja, ki bi jih umetna inteligenca lahko predstavljala, in globalno vlogo, ki jo EU pričakuje pri regulaciji tehnologije. Tako Združeno kraljestvo kot ZDA že nekaj časa delata na podobnih okvirih, zato bi morali prej kot slej oblikovati globalno politiko in predpise.
Dokler ta razvoj sledi regulirani politiki s trdnim okvirom, bi morale interakcije umetne inteligence s kvantnimi tehnologijami ustvariti koristen dvosmerni povratni mehanizem, ki bo obema področjema pomagal znatno rasti.
Ko gre za financiranje kvantne tehnologije s strani vlad po vsem svetu, v katera področja bi si želeli nadaljnje naložbe?
Moje subvencije! Če pogledamo bolj resno, so bile naložbe na vladni ravni zelo razširjene in znatne za tisto, kar je v bistvu še vedno nastajajoče znanstveno področje. V primerjavi z nekaterimi drugimi področji, ki prejemajo znanstvena sredstva, kot so vojaške ali medicinske raziskave, je znesek denarja, ki je bil položen na krožnik, skoraj smešen – vendar je za nas seveda zelo dobra stvar. Prednost te vrste državne porabe je, da nas prisili, da oblikujemo skupnost in si zastavimo skupne cilje.
Če se sklicujemo na prej omenjene štiri stebre, obstaja povezava temeljne fizike in teoretičnega razvoja. Različne države so izbrale enega ali več stebrov, na katere se bodo osredotočile, odvisno od njihovega strokovnega znanja in virov. ZDA so zelo osredotočene na računanje. EU je bolj razširjena in zato je situacija bolj zapletena, vendar je veliko vlaganj v komunikacije, pa tudi vse večje zanimanje za simulacije, številne nacionalne strategije EU pa so osredotočene tudi na zaznavanje.
Združeno kraljestvo prav tako poskuša pokriti celoten spekter, vendar identificira nekatere zelo dobro opredeljene teme, od slikanja do računanja in od komunikacije do zaznavanja. Obstajajo države, kot je Finska, ki imajo bolj eksperimentalni pristop in so osredotočene na superprevodne arhitekture, saj imajo že na voljo ogromno zmogljivosti. Singapur po drugi strani razvija zelo močno linijo raziskav satelitske kvantne komunikacije. Za majhno državo ima ogromen potencial, tako v smislu talentov kot virov.
Tako so različne države organsko razvile svoje strokovno področje. In s tem vsi zmagujemo kot skupnost – vsi imamo koristi od vsega doseženega napredka. Nekaj otroških korakov, nekaj postopnih korakov, nekaj ogromnih kvantnih skokov.
Mislim, da bo zelo pomembno, da vlade, nacionalne in nadnacionalne, spoznajo, da je treba naložbe v kvantne tehnologije ohraniti. To je področje, ki potrebuje stalno in neprekinjeno podporo za doseganje svojih visokih ciljev. In mi, kot znanstvena skupnost, moramo projicirati skladno sliko z enakimi cilji, kljub vsem razlikam, ki jih imamo. Šele takrat bomo v najboljšem položaju za prevajanje kvantnih tehnologij v realnosti, ki spreminjajo življenje.
Kot novi odgovorni urednik časopisa Kvantna znanost in tehnologija (QST), kakšna je vaša vizija revije?
To je velika čast in popolnoma sem počaščen, vendar je to tudi velik podvig glede na razvijajočo se pokrajino revij, povezanih s kvantom. Za revijo želim zagotoviti, da QST ostane ena od prednostnih poti za oddajo vrhunskih prispevkov. Želim pa tudi pomagati pri oblikovanju manifesta revije in njenih ciljev.
Moja prva prioriteta kot odgovornega urednika je bila zato ustanovitev izvršnega odbora, ki bo ob podpori uredništva jasno oblikoval obseg in poslanstvo revije. In to bo potem vplivalo na način, kako se bo revija razvijala v naslednjih nekaj letih, ki jo bo vodila kvantna raziskovalna skupnost. Kar zadeva obseg, bi si želel več visokokakovostnih eksperimentalnih posodobitev, ki bi razširile meje implementacije kvantnih tehnologij.
Založba IOP ima a preoblikovalni sporazum (TA) z vašo institucijo, v smislu odprto dostopnega objavljanja. Mi lahko poveste o tem?
Mislim, da je bil to dogovor, ki je spremenil igro, kar zadeva objavo naših rezultatov. S strogimi merili, ki so jih raziskovalni sveti postavili za rezultate, podprte z nepovratnimi sredstvi – na primer Sveta za raziskave inženirskih in fizikalnih znanosti (EPSRC) – in potrebo, da so v celoti dostopni, podatki pa v celoti na voljo skupnosti, imeti TA, ki zagotavlja odprt dostop, je tisto, kar potrebujemo. Čudovito je biti brez skrbi, da je IOP Publishing izvedljiva pot za objavo mojih rezultatov, skladnih z EPSRC.
Poleg skladnosti s financiranjem sporazum IOPP odpravlja administrativno breme obravnave računov za stroške objave člankov (APC), kar je veliko olajšanje za znanstvenike. Zavzemam se za razširitev pobude – s sklenitvijo podobnih sporazumov z drugimi založbami – pa tudi za to, da ne gre za enkraten poskus, ki bi v naslednjem letu ali več izzvenel. Morali bi narediti sistemski način, kako so vključene institucije v Združenem kraljestvu, ampak kar se mene tiče, v Evropi. To bi moralo biti zajeto že na začetku, v način delovanja visokošolskih in raziskovalnih inštitutov. Ključnega pomena je zagotoviti sinergijo med založniškimi podjetji in univerzami ali raziskovalnimi inštituti.
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
- PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
- vir: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
