Från att bygga hybridarkitekturer till att ta itu med komplexa grundläggande frågor, kvantfysiker Mauro Paternostro beskriver den enorma potential som erbjuds från kvanttekniklandskapet
Vi är mitt uppe i en kvantrenässans, med forskare inom akademi och industri som alla tävlar om att "vinna" kvantberäkningsracet. Kvantmarknaden blomstrar, med mängder av företag, stora som små, investerar i denna teknik, med stöd av enorma statliga medel över hela världen.
Mauro Paternostro, en kvantfysiker vid University of Palermo och Queen's University Belfast, är expert på kvantinformationsbehandling och kvantteknologi. Arbetar på grunderna för ämnet, hans team gör banbrytande forskning inom kavitetsoptomekanik, kvantkommunikation och mer. Han är också chefredaktör för tidskriften IOP Publishing Quantum Science and Technology.
I denna omfattande intervju pratar Paternostro med Tushna Commissariat om hans syn på kvantlandskapet – från de "fyra pelarna" av kvantteknologi och hybridarkitekturer till det lovande äktenskapet mellan kvantteknik och artificiell intelligens (AI). Paternostro understryker också behovet av fortsatt statlig finansiering för att realisera den verkliga potentialen hos denna världsföränderliga teknologi.
Vi har sett kvantbubblan sprängas under det senaste decenniet, men vilka är de potentiella fördelarna och riskerna med den exponentiella expansionen i kvantteknologiföretag och finansiering runt om i världen?
Sammantaget är bilden mycket positiv. Kvantinformationsbehandling behövde ett uppsving från industrin, eftersom företag kan driva på för den mer pragmatiska utveckling som fältet behöver. Det perspektiv som industrin erbjuder hjälper till att forma kvantteknologier på ett mer fokuserat sätt när det kommer till övergripande mål. Den spirande, exploderande marknaden – oavsett om det är inom industri eller akademi – är fantastisk.
Men som du påpekar har det skett en snabb tillväxt. Och även om det mestadels är bra, finns det också lite oro för att vi kan skapa en stor bubbla som kommer att spricka förr snarare än senare. Så jag tror att det är en fråga om kontroll – vi måste hålla tillbaka oss lite samtidigt som vi låter forskningsområdet växa organiskt.
Jag är lite bekymrad över antalet små företag som alla verkar utveckla sin egen kvantmjukvara. Deras produkter har väldigt lite att göra med sanna kvantalgoritmer och är vanligtvis klassiska optimeringslösningar – som har sina egna fördelar. Men de är inte nödvändigtvis vad jag skulle kalla ett kvantramverk.
Å andra sidan är vissa spin-off-företag mer inriktade på implementering av kvantbearbetningsplattformar, såsom kvantsensorer. Dessa är verkligen intressanta, eftersom det inte bara är kvantberäkning som spelar, utan även andra fysiska lagar.
Det finns fyra pelare som ligger till grund för utvecklingen av kvantteknologi: kvantberäkning; kvantsimulering; kvantkommunikation; och kvantavkänning och metrologi. Och jag skulle säga att alla fyra utvecklas på ett väldigt hälsosamt sätt.
Kvantavkänning verkar vara en av de mest avancerade, tillsammans med kommunikation tack vare mognaden hos de teknologier de kan utnyttja. Även om industrins engagemang är fördelaktigt och lovande, bör vi vara försiktiga med de vilda spekulationerna och "inflationen" som kommer från att försöka hoppa på en snabb buss, utan att ha det fulla priset för resan till hands.
Och även om jag ofta är skeptisk till mindre företag, får man ibland också oroande nyheter från de stora aktörerna. Till exempel hade det kinesiska teknikföretaget Alibaba ett intresse av att utveckla kvantberäkningsplattformar och -lösningar, tills det plötsligt beslutade att stänga sitt interna kvantteam i slutet av förra året och förklarade att det hellre skulle fokusera på att vara ledande inom AI-forskning.
Var detta helt enkelt ett affärsbeslut, eller luktar Alibaba något som vi ännu inte har luktat? Jag antar att vi får vänta och se. Sammantaget tror jag att framtiden är ljus och industrins engagemang är mycket goda nyheter.
Det finns ett antal olika kvantberäkningstekniker som tävlar om topplatsen – från fångade joner och kvantprickar till supraledande och fotoniska qubits. Vilken tror du är mest sannolikt att lyckas?
Jag är en slags agnostiker, eftersom jag inte tror att den första kvantanordningen vi bygger kommer att vara helt kvant. Jag vet att detta är en kontroversiell uppfattning för vissa, men det är en åsikt som delas av många andra inom mitt område. Det jag tror att vi kommer att sluta med är en hybridarkitektur, där det bästa av högpresterande datorer (HPC) kommer att samverka med kvantberäkningsarkitekturer.
Kanske dessa noisy intermediate-scale quantum (NISQ) arkitekturer kommer att få sällskap av en fullfjädrad HPC-arkitektur som kommer att öka deras prestanda, eller vice versa. De kvantresurser som läggs på bordet av denna sorts hybridenhet kommer att förbättra den prestanda som nuvarande klassiska HPC kan producera. Jag tror starkt på genomförbarheten av den sortens hybridarkitektur – en helt kvantlösning är fortfarande långt ifrån där vi är nu.
Dessutom är jag inte helt övertygad om att vi kommer att ha förmågan att hantera de enorma resurser som skulle behövas för att fullt ut kunna utnyttja luckan i beräkningskraft som en kvantdator skulle erbjuda. Ett mål på medellång sikt som syftar till denna hybrid HPC-kvantarkitektur kommer att vara en mycket mer realistisk – och potentiellt mycket fruktbar arkitektur – att eftersträva. Jag är lite optimistisk att något kommer att hända under min livstid.
Du nämnde att kvantsensorer redan utvecklas för en mängd olika tillämpningar, inklusive hälsovård, konstruktion och till och med gravitationsmätning. Vad är nytt och spännande inom det området?
Kvantsensorer utvecklar fantastiska möjligheter för att undersöka mekanismer som hittills har varit svårfångade. I huvudsak hjälper dessa sensorer oss att bättre upptäcka potentiella kvanteffekter av krafter som gravitation, som många forskare i Storbritannien har ett intresse av att eftersträva. En betydande del av det experimentella samhället strävar efter dessa mål – med University of Birminghams kvantnav som leder på denna front.
Jag tror inte att någon påstår att det finns en vinnande experimentell plattform att driva – både kalla atomer och optomekanik är några av de mest lovande i det avseendet. Men de teoretiska och experimentella framstegen som detta område har uppnått är mycket intressanta.
Sensorer som kan undersöka den grundläggande naturen hos svårfångade fysiska mekanismer kommer, tror jag, att vara en nyckelutveckling. Och så finns det andra avkänningsenheter, som accelerometrar eller bildapparater som redan är ganska väl etablerade. De Storbritanniens nationella Quantum Technologies Program har redan gjort betydande framsteg i det avseendet, och tekniken är tillgänglig och mogen nog att ha en verklig inverkan.
Jag tror att industrier bör investera kraftigt i detta område eftersom, vid sidan av kommunikation, är avkänning i framkant av implementeringen av kvantteknik i detta skede.
Skapar scenen för en kvantmarknadsplats: var kvantaffären är på väg och hur den kan utvecklas
Och hur är det med kvantkommunikation?
Kvantkommunikation är förmodligen det mest konkreta exemplet där akademiska framsteg har satts i funktion, till förmån för industriledda mål. Det har varit ett helt fantastiskt exempel på vad vi kan uppnå när dessa två komponenter fungerar tillsammans.
Även om framstegen har varit fantastiska, finns det också kontroversiella aspekter, särskilt när vi överväger de större geopolitiska implikationerna av ett globalt kvantnätverk. Frågan om kommunikation och datasäkerhet kommer att bli betydande, så vi måste noggrant överväga de vidare konsekvenserna av denna tekniska utveckling. Geopolitiska gränser förändras ständigt, och deras mål stämmer inte alltid överens med vetenskapliga mål.
Vilka är några nyckelområden där AI och kvantteknik korsar varandra? Var hjälper de varandra bäst och vilka är potentiella problem?
Detta är en mycket viktig fråga. Det behöver inte sägas att den heliga gralen för båda områdena är mycket nära – både AI och kvantberäkningar är baserade på utvecklingen av nya algoritmer. Man hör folk prata om kvantmaskininlärning (ML), eller kvant-AI, men det är inte vad de egentligen menar. De syftar inte på specifikt utformade kvantalgoritmer för AI- eller ML-problem. Vad de menar är hybridiseringen av klassisk maskininlärning eller klassisk AI med kvantproblem.
Dessa lösningar kommer att bero på området och det problem vi försöker ta itu med. Men generellt tittar vi på klassiska tekniker för bearbetning av datamängder; optimera problem; lösa kostnadsfunktioner; och kontrollera, optimera och manipulera kvantproblem.
Det är mycket lovande, eftersom du sätter ihop det bästa av de två världarna. Ur en teoretisk synvinkel är syftet att ta itu med frågor på den generella kvantmekaniska nivån som behöver åtgärdas, och kanske de större och mer komplicerade problemen i skala. Vi vill bygga verktyg på algoritmisk nivå som gör att du kan hantera komplexiteten i dessa problem på ett certifierbart och konsoliderat sätt.
Och det intressanta är att experimenten har börjat komma ikapp den teoretiska utvecklingen. Vi har redan ett antal lösningar, tillvägagångssätt och metoder som har utvecklats i detta hybridscenario där ML och kvantinformationsbehandling möts.
Jag hoppas att dessa experiment kommer att undersökas fullt ut under de närmaste åren, och att de inte fastnar om AI- och kvantbubblan spricker. Jag tvivlar dock på att det skulle vara fallet, eftersom AI är här för att stanna, medan ML nu är ett verktyg som inte går att missa som används av dataanalytiker över hela världen. Om vi har någon ambition att skala upp komplexiteten i de problem som vi kan och bör ta itu med, då måste vi fokusera på att utveckla dessa verktyg.
Vilka nya initiativ pågår inom detta område?
Tidigare i år, Storbritanniens forskning och innovation (UKRI) meddelade att de finansierar nio nya forskningsnav för att "leverera revolutionerande AI-teknik" för att ta itu med komplexa problem från hälsovård till energi samt 10 andra studier för att definiera "ansvarig AI". Jag vet att ett antal av dessa har en kvantkomponent – särskilt inom vården, där AI-baserade lösningar är helt grundläggande, men det kan finnas kvantlösningar också.
Så jag är väldigt optimistisk när det kommer till sammanslagning av AI och kvantteknik, så länge utvecklingen av ett AI-ramverk är reglerat. Just nu, den Europeiska kommissionen formulerar den rättsliga ramen för sin AI-lag, som kommer att ta itu med de risker som AI kan innebära, och den globala roll som EU hoppas spela för att reglera tekniken. Både Storbritannien och USA har redan arbetat med liknande ramar ett tag, så vi borde ha en global policy och reglering formulerad, förr snarare än senare.
Så länge som denna utveckling följer en reglerad policy med solid ram, bör AI:s interaktion med kvantteknologi skapa en användbar tvåvägs återkopplingsmekanism som kommer att hjälpa båda områdena att växa avsevärt.
När det gäller finansiering av kvantteknologi från regeringar över hela den globala scenen, vilka specifika områden skulle du vilja se ytterligare investeringar i?
Mina bidrag! Men på ett mer allvarligt sätt har investeringar på regeringsnivå varit utbredda och betydande för vad som i huvudsak fortfarande är ett framväxande vetenskapligt område. Jämfört med vissa andra områden som får vetenskaplig finansiering, som militär eller medicinsk forskning, är summan av pengar som har lagts på tallriken nästan löjlig – men det är förstås en mycket bra sak för oss. En fördel med den här typen av statliga utgifter är att de tvingar oss att bilda en gemenskap och komma med gemensamma mål.
Om vi hänvisar till de tidigare nämnda fyra pelarna så finns det ett underliggande samband mellan fundamental fysik och teoretisk utveckling. Olika länder har valt en eller flera pelare att fokusera på, beroende på deras expertis och resurser. USA är mycket fokuserat på beräkning. EU är mer utbrett och därför är situationen mer komplex, men det finns stora investeringar i kommunikation, liksom ett växande intresse för simulering, samtidigt som ett antal nationella EU-strategier också är inriktade på avkänning.
Storbritannien försöker också täcka hela spektrat, men identifierar några mycket väldefinierade ämnen, från bildbehandling till beräkning och från kommunikation till avkänning. Det finns länder som Finland som har ett mer experimentellt tillvägagångssätt och är fokuserade på supraledande arkitekturer, eftersom de redan har enorma faciliteter tillgängliga. Singapore, å andra sidan, utvecklar en mycket stark forskningslinje inom satellitbaserad kvantkommunikation. För ett litet land har det en enorm potential, både vad gäller talang och resurs.
Så olika länder har utvecklat sitt eget kompetensområde, på ett organiskt sätt. Och genom att göra det vinner vi alla som en gemenskap – vi drar alla nytta av alla framsteg som har gjorts. Några småsteg, några fler stegvisa steg, några enorma kvantsprång.
Jag tror att det kommer att vara riktigt viktigt att regeringar, nationella och supernationella, inser att investeringar i kvantteknik bör upprätthållas. Det är ett område som behöver kontinuerligt, obrutet stöd för att nå sina höga mål. Och vi, som forskarsamhället, måste projicera en sammanhängande bild med samma uppsättning mål, trots alla skillnader vi har. Först då kommer vi att vara bäst lämpade att översätta kvantteknik till livsförändrande verkligheter.
Som ny chefredaktör för Quantum Science and Technology (QST), vad är din vision för tidskriften?
Det är en stor ära, och jag är absolut smickrad, men det är också en stor strävan, med tanke på det växande landskapet av kvantrelaterade tidskrifter. Vad jag vill för tidskriften är att se till att QST förblir en av de föredragna vägarna för att skicka in bidrag av högsta klass. Men jag vill också vara med och forma tidskriftens manifest och dess mål.
Min första prioritet som chefredaktör har därför varit att inrätta en direktion som tillsammans med stöd från redaktionen ska forma tidskriftens omfattning och uppdrag på ett tydligt sätt. Och det kommer sedan att informera om hur tidskriften kommer att utvecklas under de närmaste åren, vägledd av kvantforskarsamhället. När det gäller omfattningen skulle jag vilja se fler högkvalitativa experimentella uppdateringar som pressar höljet för implementeringen av kvantteknologier.
IOP Publishing har en transformativt avtal (TA) med din institution, när det gäller publicering med öppen tillgång. Kan du berätta om det?
Jag tycker att det har varit ett omvälvande avtal när det gäller publiceringen av vår produktion. Med de stränga kriterier som forskningsråden har lagt på resultat som stöds av anslag – från till exempel Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) – och behovet av att de ska vara fullt tillgängliga och att data ska vara fullt tillgänglig för samhället, att ha en TA som garanterar öppen tillgång är vad vi behöver. Det är fantastiskt att ha sinnesfrid att IOP Publishing är en gångbar väg för var mina EPSRC-kompatibla utdata kan publiceras.
Förutom att finansiera efterlevnaden, tar IOPP-avtalet bort den administrativa bördan av att hantera fakturor för artikelpubliceringsavgifter (APCs), vilket är en stor lättnad för forskarna. Jag har förespråkat för att bredda initiativet – genom att upprätta liknande avtal med andra förlag – men också se till att detta inte är ett engångsexperiment som klingar av under det närmaste året eller så. Vi bör göra det systemiskt för hur institutioner i inte bara Storbritannien, utan vad jag är oroad över, Europa är involverade. Det borde vara inkapslat redan från början, i hur högskolor och forskningsinstitut fungerar. Att se till att det finns en synergi mellan förlag och universitet eller forskningsinstitut är avgörande.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
