Từ việc xây dựng các kiến trúc lai cho đến giải quyết các câu hỏi cơ bản phức tạp, nhà vật lý lượng tử Mauro Paternostro phác thảo tiềm năng to lớn được cung cấp từ bối cảnh công nghệ lượng tử
Chúng ta đang ở giữa thời kỳ phục hưng lượng tử, với các nhà nghiên cứu trong giới học viện và ngành công nghiệp đều đang cạnh tranh để “chiến thắng” trong cuộc đua điện toán lượng tử. Thị trường lượng tử đang bùng nổ, với rất nhiều công ty, lớn và nhỏ, đầu tư vào công nghệ này, được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ khổng lồ của chính phủ trên toàn cầu.
Mauro Paternostro, nhà vật lý lượng tử tại Đại học Palermo và Đại học Queen's Belfast, là chuyên gia về xử lý thông tin lượng tử và công nghệ lượng tử. Dựa trên nền tảng của chủ đề này, nhóm của ông đang thực hiện nghiên cứu tiên phong về cơ học quang học khoang, truyền thông lượng tử và hơn thế nữa. Ông cũng là tổng biên tập tạp chí IOP Publishing Khoa học và Công nghệ Lượng tử.
Trong cuộc phỏng vấn trên phạm vi rộng này, Paternostro nói chuyện với Tushna Commissariat về quan điểm của ông về bối cảnh lượng tử - từ “bốn trụ cột” của công nghệ lượng tử và kiến trúc lai cho đến sự kết hợp đầy hứa hẹn giữa công nghệ lượng tử và trí tuệ nhân tạo (AI). Paternostro cũng nhấn mạnh sự cần thiết phải tiếp tục tài trợ của chính phủ để nhận ra tiềm năng thực sự của công nghệ thay đổi thế giới này.
Chúng ta đã chứng kiến bong bóng lượng tử nổ tung trong thập kỷ qua, nhưng những lợi thế và rủi ro tiềm tàng của sự mở rộng theo cấp số nhân của các công ty công nghệ lượng tử và nguồn vốn trên toàn thế giới là gì?
Nhìn chung, bức tranh rất tích cực. Xử lý thông tin lượng tử cần sự thúc đẩy từ ngành công nghiệp vì các công ty có thể thúc đẩy những phát triển thực tế hơn mà lĩnh vực này cần. Quan điểm mà ngành đưa ra là giúp định hình các công nghệ lượng tử theo cách tập trung hơn khi nói đến các mục tiêu tổng thể. Thị trường vừa chớm nở và bùng nổ – dù là trong ngành công nghiệp hay học viện – đều rất tuyệt vời.
Tuy nhiên, như bạn đã chỉ ra, đã có sự tăng trưởng nhanh chóng. Và mặc dù đó hầu hết là một điều tốt, nhưng cũng có một chút lo lắng rằng chúng ta có thể đang tạo ra một bong bóng lớn sẽ vỡ sớm hay muộn. Vì vậy, tôi nghĩ đó là vấn đề kiểm soát - chúng ta cần phải kiềm chế phần nào, đồng thời cho phép khu vực nghiên cứu phát triển một cách tự nhiên.
Tôi hơi lo ngại về số lượng các công ty nhỏ dường như đang phát triển phần mềm lượng tử của riêng họ. Các sản phẩm của họ rất ít liên quan đến các thuật toán lượng tử thực sự và thường là các giải pháp tối ưu hóa cổ điển – vốn có giá trị riêng. Nhưng chúng không nhất thiết phải là cái mà tôi gọi là khung lượng tử.
Mặt khác, một số công ty phụ lại thiên về việc triển khai các nền tảng xử lý lượng tử, chẳng hạn như cảm biến lượng tử. Những điều này thực sự thú vị, vì nó không chỉ liên quan đến tính toán lượng tử mà còn cả các định luật vật lý khác.
Có bốn trụ cột làm nền tảng cho sự phát triển của công nghệ lượng tử: điện toán lượng tử; mô phỏng lượng tử; truyền thông lượng tử; và cảm biến lượng tử và đo lường. Và tôi có thể nói rằng cả bốn đứa trẻ đều đang phát triển một cách rất lành mạnh.
Cảm biến lượng tử dường như là một trong những công nghệ tiên tiến nhất, cùng với truyền thông nhờ vào sự trưởng thành của các công nghệ mà chúng có thể tận dụng. Mặc dù sự tham gia của ngành công nghiệp là có lợi và đầy hứa hẹn, nhưng chúng ta nên cảnh giác với tình trạng đầu cơ hoang dã và “lạm phát” xuất phát từ việc cố gắng nhảy lên một chiếc xe buýt nhanh mà không có đầy đủ tiền vé cho chuyến đi trong tay.
Và mặc dù tôi thường hoài nghi về các công ty nhỏ hơn, nhưng đôi khi bạn cũng nhận được những tin tức đáng lo ngại từ những công ty lớn. Ví dụ, công ty công nghệ Trung Quốc Alibaba quan tâm đến việc phát triển các nền tảng và giải pháp điện toán lượng tử, cho đến khi họ đột ngột quyết định đóng cửa nhóm lượng tử nội bộ của mình vào cuối năm ngoái, tuyên bố rằng họ muốn tập trung vào việc trở thành người dẫn đầu trong nghiên cứu AI.
Đây chỉ đơn giản là một quyết định kinh doanh hay Alibaba đang ngửi thấy thứ gì đó mà chúng ta chưa ngửi thấy? Tôi đoán chúng ta sẽ phải chờ xem. Nhìn chung, tôi nghĩ tương lai rất tươi sáng và sự tham gia của ngành này là một tin rất tốt.
Có một số công nghệ điện toán lượng tử khác nhau đang cạnh tranh vị trí hàng đầu – từ các ion bị bẫy và chấm lượng tử cho đến qubit siêu dẫn và quang tử. Bạn nghĩ cái nào có khả năng thành công nhất?
Tôi là người theo thuyết bất khả tri, ở chỗ tôi không tin rằng thiết bị lượng tử đầu tiên mà chúng tôi chế tạo sẽ hoàn toàn là lượng tử. Tôi biết đối với một số người đây là một quan điểm gây tranh cãi, nhưng đó là ý kiến được nhiều người khác trong lĩnh vực của tôi chia sẻ. Điều tôi nghĩ chúng ta sẽ đạt được là một kiến trúc kết hợp, nơi mà những gì tốt nhất của máy tính hiệu suất cao (HPC) sẽ giao tiếp với các kiến trúc điện toán lượng tử.
Có lẽ những điều này lượng tử quy mô trung gian ồn ào (NISQ) các kiến trúc sẽ được kết hợp với một kiến trúc HPC hoàn chỉnh giúp nâng cao hiệu suất của chúng hoặc ngược lại. Các tài nguyên lượng tử được loại thiết bị lai này đặt lên bàn sẽ nâng cao hiệu suất mà HPC cổ điển hiện tại có thể tạo ra. Tôi thực sự tin tưởng vào tính khả thi của loại kiến trúc lai đó – một giải pháp lượng tử hoàn toàn vẫn còn một chặng đường dài mới đạt được vị trí hiện tại của chúng ta.
Ngoài ra, tôi không hoàn toàn tin rằng chúng ta sẽ có khả năng quản lý nguồn tài nguyên khổng lồ cần thiết để tận dụng tối đa khoảng trống về sức mạnh tính toán mà máy tính lượng tử sẽ mang lại. Mục tiêu trung hạn hướng tới kiến trúc lượng tử HPC lai này sẽ là một kiến trúc thực tế hơn nhiều – và có khả năng rất hiệu quả – để theo đuổi. Tôi hơi lạc quan rằng sẽ có điều gì đó xảy ra trong đời tôi.
Bạn đã đề cập rằng cảm biến lượng tử đã được phát triển cho nhiều ứng dụng bao gồm chăm sóc sức khỏe, xây dựng và thậm chí cả đo trọng lực. Có gì mới và thú vị trong lĩnh vực đó?
Cảm biến lượng tử đang phát triển những khả năng đáng kinh ngạc để điều tra các cơ chế mà cho đến nay vẫn chưa thể nắm bắt được. Về cơ bản, những cảm biến này giúp chúng ta phát hiện tốt hơn các hiệu ứng lượng tử tiềm ẩn của các lực như lực hấp dẫn, điều mà nhiều nhà nghiên cứu ở Anh quan tâm theo đuổi. Một phần đáng kể của cộng đồng thử nghiệm đang theo đuổi những mục tiêu này – với trung tâm lượng tử của Đại học Birmingham dẫn đầu trên mặt trận này.
Tôi không nghĩ có ai đó tuyên bố rằng có một nền tảng thử nghiệm thành công để theo đuổi – cả nguyên tử lạnh và cơ học quang học đều là những nền tảng hứa hẹn nhất về mặt đó. Nhưng tiến bộ về mặt lý thuyết và thực nghiệm mà lĩnh vực này đạt được là rất thú vị.
Tôi tin rằng các cảm biến có thể thăm dò bản chất cơ bản của các cơ chế vật lý khó nắm bắt sẽ là một sự phát triển quan trọng. Và sau đó là các thiết bị cảm biến khác, chẳng hạn như gia tốc kế hoặc máy tạo ảnh đã được thiết lập khá tốt. Các Chương trình Công nghệ Lượng tử Quốc gia của Vương quốc Anh đã đạt được những tiến bộ đáng kể về mặt đó và công nghệ này đã sẵn có và đủ trưởng thành để có tác động thực sự.
Tôi nghĩ các ngành công nghiệp nên đầu tư nhiều vào lĩnh vực này vì cùng với truyền thông, cảm biến luôn đi đầu trong việc triển khai công nghệ lượng tử ở giai đoạn này.
Đặt bối cảnh cho một thị trường lượng tử: kinh doanh lượng tử ở đâu và nó có thể mở ra như thế nào
Còn truyền thông lượng tử thì sao?
Truyền thông lượng tử có lẽ là ví dụ cụ thể nhất trong đó tiến bộ học thuật đã được áp dụng để mang lại lợi ích cho các mục tiêu do ngành dẫn đầu. Đó là một ví dụ hoàn toàn tuyệt vời về những gì chúng ta có thể đạt được khi hai thành phần này phối hợp với nhau.
Mặc dù tiến trình này thật tuyệt vời nhưng cũng có những khía cạnh gây tranh cãi, đặc biệt là khi chúng ta xem xét những tác động địa chính trị lớn hơn của mạng lượng tử toàn cầu. Vấn đề liên lạc và bảo mật dữ liệu sẽ trở nên quan trọng, vì vậy chúng ta phải xem xét cẩn thận những tác động rộng hơn của những phát triển công nghệ này. Các ranh giới địa chính trị liên tục thay đổi và mục tiêu của chúng không phải lúc nào cũng đồng thời với các mục tiêu khoa học.
Một số lĩnh vực chính mà AI và công nghệ lượng tử giao nhau là gì? Họ giúp đỡ lẫn nhau tốt nhất ở đâu và những vấn đề tiềm ẩn là gì?
Đây là một câu hỏi rất quan trọng. Không cần phải nói, chén thánh cho cả hai lĩnh vực đều rất gần nhau – cả AI và tính toán lượng tử đều dựa trên sự phát triển của các thuật toán mới. Người ta nghe mọi người nói về máy học lượng tử (ML) hoặc AI lượng tử, nhưng đó không phải là ý nghĩa thực sự của họ. Họ không đề cập đến các thuật toán lượng tử được thiết kế đặc biệt cho các vấn đề về AI hoặc ML. Ý của chúng là sự kết hợp giữa học máy cổ điển hoặc AI cổ điển với các vấn đề lượng tử.
Những giải pháp này sẽ phụ thuộc vào lĩnh vực và vấn đề chúng tôi đang cố gắng giải quyết. Nhưng nói chung, chúng ta đang xem xét các kỹ thuật cổ điển để xử lý tập dữ liệu; tối ưu hóa các vấn đề; giải các hàm chi phí; và kiểm soát, tối ưu hóa và xử lý các vấn đề lượng tử.
Điều đó rất hứa hẹn vì bạn đang kết hợp những điều tốt nhất của cả hai thế giới. Từ quan điểm lý thuyết, mục đích là giải quyết các câu hỏi ở cấp độ cơ học lượng tử nói chung cần được giải quyết, và có lẽ là những vấn đề lớn hơn và phức tạp hơn về quy mô. Chúng tôi muốn xây dựng các công cụ ở cấp độ thuật toán cho phép bạn giải quyết sự phức tạp của những vấn đề đó theo cách hợp nhất và có thể chứng nhận được.
Và điều thú vị là các thí nghiệm đã bắt đầu bắt kịp sự phát triển về mặt lý thuyết. Chúng tôi đã có một số giải pháp, cách tiếp cận và phương pháp đã được phát triển trong kịch bản kết hợp này, nơi ML và xử lý thông tin lượng tử kết hợp với nhau.
Tôi hy vọng những thí nghiệm này sẽ được nghiên cứu đầy đủ trong vài năm tới và không bị cuốn vào nếu bong bóng AI và lượng tử nổ tung. Tuy nhiên, tôi nghi ngờ trường hợp đó sẽ xảy ra vì AI vẫn tiếp tục tồn tại, trong khi ML hiện là một công cụ không thể chấp nhận được được các nhà phân tích dữ liệu trên toàn thế giới sử dụng. Nếu chúng ta có tham vọng mở rộng quy mô độ phức tạp của các vấn đề mà chúng ta có thể và nên giải quyết, thì chúng ta phải tập trung phát triển những công cụ này.
Những sáng kiến mới nào đang diễn ra trong lĩnh vực này?
Đầu năm nay, Nghiên cứu và Đổi mới của Vương quốc Anh (UKRI) đã thông báo rằng họ đang tài trợ cho 10 trung tâm nghiên cứu mới để “cung cấp các công nghệ AI mang tính cách mạng” nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp từ chăm sóc sức khỏe đến năng lượng cũng như XNUMX nghiên cứu khác để xác định “AI có trách nhiệm”. Tôi biết rằng một số trong số này có thành phần lượng tử - đặc biệt là trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, nơi các giải pháp dựa trên AI là hoàn toàn cơ bản, nhưng cũng có thể có các giải pháp lượng tử.
Vì vậy, tôi rất lạc quan khi nói đến việc hợp nhất AI và công nghệ lượng tử, miễn là sự phát triển của khuôn khổ AI được quy định. Ngay bây giờ, Ủy ban Châu Âu đang xây dựng khung pháp lý cho Đạo luật AI của mình, điều này sẽ giải quyết những rủi ro mà AI có thể gây ra và vai trò toàn cầu mà EU hy vọng sẽ đóng trong việc quản lý công nghệ. Cả Vương quốc Anh và Hoa Kỳ đều đã nghiên cứu các khuôn khổ tương tự được một thời gian, vì vậy chúng ta nên xây dựng một số chính sách và quy định toàn cầu, sớm hay muộn.
Miễn là sự phát triển này tuân theo chính sách được quản lý với khuôn khổ vững chắc, thì sự tương tác của AI với công nghệ lượng tử sẽ tạo ra cơ chế phản hồi hai chiều hữu ích giúp cả hai lĩnh vực phát triển đáng kể.
Khi nói đến việc tài trợ cho công nghệ lượng tử của các chính phủ trên toàn cầu, bạn muốn thấy đầu tư thêm vào lĩnh vực cụ thể nào?
Trợ cấp của tôi! Nhưng điều đáng lưu ý hơn là, đầu tư cấp chính phủ đã được mở rộng và đáng kể đối với lĩnh vực về cơ bản vẫn là một lĩnh vực khoa học mới nổi. So với một số lĩnh vực khác nhận được tài trợ khoa học, chẳng hạn như nghiên cứu quân sự hoặc y tế, số tiền được đầu tư gần như vô lý - nhưng tất nhiên đó là một điều rất tốt cho chúng tôi. Lợi ích của cách chi tiêu này của chính phủ là nó buộc chúng ta phải thành lập một cộng đồng và đưa ra những mục tiêu chung.
Nếu chúng ta đề cập đến bốn trụ cột nói trên, thì có một mối liên hệ cơ bản giữa vật lý cơ bản và sự phát triển lý thuyết. Các quốc gia khác nhau đã chọn một hoặc nhiều trụ cột để tập trung vào, tùy thuộc vào chuyên môn và nguồn lực của họ. Mỹ rất tập trung vào tính toán. EU mở rộng hơn và do đó tình hình phức tạp hơn, nhưng có sự đầu tư lớn vào truyền thông cũng như mối quan tâm ngày càng tăng đối với mô phỏng, trong khi một số chiến lược quốc gia của EU cũng tập trung vào cảm biến.
Vương quốc Anh cũng đang cố gắng bao quát toàn bộ phạm vi, nhưng xác định một số chủ đề được xác định rất rõ ràng, từ hình ảnh đến tính toán và từ giao tiếp đến cảm biến. Có những quốc gia như Phần Lan có cách tiếp cận mang tính thử nghiệm hơn và tập trung vào kiến trúc siêu dẫn vì họ đã có sẵn cơ sở vật chất khổng lồ. Mặt khác, Singapore đang phát triển một hướng nghiên cứu rất mạnh mẽ về truyền thông lượng tử dựa trên vệ tinh. Đối với một quốc gia nhỏ, nước này có tiềm năng rất lớn cả về tài năng lẫn nguồn lực.
Vì vậy, các quốc gia khác nhau đã phát triển lĩnh vực chuyên môn của riêng mình một cách tự nhiên. Và bằng cách làm như vậy, tất cả chúng ta đều chiến thắng với tư cách là một cộng đồng - tất cả chúng ta đều được hưởng lợi từ tất cả những tiến bộ đã đạt được. Một số bước nhỏ, một số bước tăng dần, một số bước nhảy vọt lớn.
Tôi nghĩ điều thực sự quan trọng là các chính phủ, quốc gia và siêu quốc gia, nhận ra rằng cần phải duy trì đầu tư vào công nghệ lượng tử. Đó là một lĩnh vực cần sự hỗ trợ liên tục, liên tục để đạt được các mục tiêu cao cả. Và chúng ta, với tư cách là cộng đồng khoa học, phải đưa ra một bức tranh mạch lạc với cùng một loạt mục tiêu, bất chấp mọi khác biệt giữa chúng ta. Chỉ khi đó chúng ta mới có thể đưa công nghệ lượng tử vào thực tế thay đổi cuộc sống một cách tốt nhất.
Với tư cách là tổng biên tập mới của Khoa học và Công nghệ Lượng tử (QST), tầm nhìn của bạn đối với tạp chí là gì?
Đó là một vinh dự lớn và tôi hoàn toàn tự hào, nhưng đó cũng là một nỗ lực lớn, xét đến bối cảnh ngày càng phát triển của các tạp chí liên quan đến lượng tử. Điều tôi muốn ở tạp chí là đảm bảo rằng QST vẫn là một trong những con đường ưa thích để gửi những đóng góp xuất sắc nhất. Nhưng tôi cũng muốn giúp định hình tuyên ngôn của tạp chí và các mục tiêu của nó.
Do đó, ưu tiên hàng đầu của tôi với tư cách là tổng biên tập là thành lập một ban điều hành cùng với sự hỗ trợ của ban biên tập sẽ định hình phạm vi và sứ mệnh của tạp chí một cách rõ ràng. Và điều đó sau đó sẽ cho biết cách tạp chí sẽ phát triển trong vài năm tới, dưới sự hướng dẫn của cộng đồng nghiên cứu lượng tử. Về phạm vi, tôi muốn thấy nhiều bản cập nhật thử nghiệm chất lượng cao hơn nhằm thúc đẩy quá trình triển khai công nghệ lượng tử.
Nhà xuất bản IOP có một thỏa thuận chuyển đổi (TA) với cơ sở của bạn, về mặt xuất bản truy cập mở. bạn có thể cho tôi biết về điều đó?
Tôi nghĩ đó là một thỏa thuận thay đổi cuộc chơi liên quan đến việc xuất bản sản phẩm của chúng tôi. Với các tiêu chí nghiêm ngặt mà các hội đồng nghiên cứu đã đưa ra đối với các kết quả đầu ra được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ - ví dụ như từ Hội đồng nghiên cứu khoa học vật lý và kỹ thuật (EPSRC) - và nhu cầu chúng có thể được truy cập đầy đủ và dữ liệu có sẵn đầy đủ cho cộng đồng, có một TA đảm bảo quyền truy cập mở là điều chúng ta cần. Thật tuyệt vời khi yên tâm rằng IOP Publishing là một con đường khả thi để có thể xuất bản các kết quả đầu ra tuân thủ EPSRC của tôi.
Ngoài việc tuân thủ kinh phí, thỏa thuận IOPP còn loại bỏ gánh nặng hành chính trong việc xử lý hóa đơn đối với phí xuất bản bài báo (APC), đây là một sự trợ giúp lớn cho các nhà khoa học. Tôi đã ủng hộ việc mở rộng sáng kiến - bằng cách thiết lập các thỏa thuận tương tự với các công ty xuất bản khác - nhưng cũng đảm bảo rằng đây không phải là thử nghiệm chỉ diễn ra một lần rồi sẽ biến mất trong khoảng năm tới. Chúng ta nên làm cho nó trở nên mang tính hệ thống theo cách các tổ chức không chỉ ở Vương quốc Anh, mà theo như tôi nghĩ, cả Châu Âu đều có liên quan. Nó cần được gói gọn ngay từ đầu, theo cách mà các tổ chức giáo dục đại học và viện nghiên cứu đang vận hành. Đảm bảo có sự phối hợp giữa các công ty xuất bản và các trường đại học hoặc viện nghiên cứu là rất quan trọng.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
