فیزیکدان کوانتومی، از ساخت معماری های ترکیبی گرفته تا پاسخگویی به سؤالات بنیادی پیچیده مائورو پاترنوسترو پتانسیل گسترده ای را که از چشم انداز فناوری کوانتومی ارائه می شود، ترسیم می کند
ما در میانه یک رنسانس کوانتومی هستیم، با محققان دانشگاهی و صنعتی که همگی برای «برنده شدن» در مسابقه محاسبات کوانتومی رقابت می‌کنند. بازار کوانتومی در حال رونق است و شرکت‌های بزرگ و کوچک به طور یکسان روی این فناوری سرمایه‌گذاری می‌کنند که با حمایت مالی هنگفت دولت در سراسر جهان پشتیبانی می‌شود.
مائورو پاترنوسترو، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه پالرمو و دانشگاه کوئینز بلفاست، متخصص پردازش اطلاعات کوانتومی و فناوری کوانتومی است. تیم او با کار بر روی پایه های این موضوع، تحقیقات پیشگامی در زمینه اپتومکانیک حفره، ارتباطات کوانتومی و فراتر از آن انجام می دهد. او همچنین سردبیر مجله IOP Publishing است علم و فناوری کوانتومی.
در این مصاحبه گسترده، پاترنوسترو با کمیساریای توشنا درباره دیدگاه‌های خود درباره چشم‌انداز کوانتومی - از "چهار ستون" فناوری کوانتومی و معماری‌های ترکیبی گرفته تا ازدواج امیدوارکننده بین فناوری کوانتومی و هوش مصنوعی (AI) صحبت می‌کند. پاترنوسترو همچنین بر نیاز به ادامه بودجه دولتی برای تحقق بخشیدن به پتانسیل واقعی این فناوری در حال تغییر جهان تاکید می کند.
ما شاهد انفجار حباب کوانتومی در دهه گذشته بوده‌ایم، اما مزایا و خطرات بالقوه گسترش تصاعدی در شرکت‌های فناوری کوانتومی و تامین مالی در سراسر جهان چیست؟
در کل، تصویر بسیار مثبت است. پردازش اطلاعات کوانتومی نیاز به تقویت صنعت دارد، زیرا شرکت‌ها می‌توانند برای پیشرفت‌های عملگرایانه‌تر مورد نیاز این حوزه تلاش کنند. دیدگاهی که صنعت ارائه می‌دهد به شکل‌دهی فناوری‌های کوانتومی به شیوه‌ای متمرکزتر، زمانی که نوبت به اهداف کلی می‌رسد، کمک می‌کند. بازار نوپا و در حال انفجار - چه در صنعت و چه در دانشگاه - عالی است.
اما همانطور که اشاره کردید، رشد سریعی رخ داده است. و در حالی که این بیشتر چیز خوبی است، کمی نگرانی نیز وجود دارد که ممکن است در حال ایجاد حباب بزرگی باشیم که زودتر ترکیده شود. بنابراین من فکر می‌کنم این موضوع کنترل است – ما باید تا حدودی خودمان را مهار کنیم، در حالی که اجازه می‌دهیم حوزه تحقیقاتی به طور ارگانیک رشد کند.
من کمی نگران تعداد شرکت های کوچکی هستم که به نظر می رسد همه در حال توسعه نرم افزار کوانتومی خود هستند. محصولات آنها ارتباط بسیار کمی با الگوریتم‌های کوانتومی واقعی دارند و معمولاً راه‌حل‌های بهینه‌سازی کلاسیک هستند - که مزایای خاص خود را دارند. اما آنها لزوماً آن چیزی نیستند که من آن را چارچوب کوانتومی می نامم.
از سوی دیگر، برخی از شرکت های اسپین آف بیشتر به سمت پیاده سازی پلت فرم های پردازش کوانتومی مانند حسگرهای کوانتومی گرایش دارند. اینها واقعاً جالب هستند، زیرا فقط محاسبات کوانتومی در کار نیست، بلکه قوانین فیزیکی دیگر نیز در کار است.
چهار ستون زیربنای پیشرفت فناوری کوانتومی وجود دارد: محاسبات کوانتومی. شبیه سازی کوانتومی؛ ارتباطات کوانتومی؛ و سنجش کوانتومی و مترولوژی. و من می توانم بگویم که هر چهار به روشی بسیار سالم در حال توسعه هستند.
به نظر می رسد سنجش کوانتومی یکی از پیشرفته ترین ها باشد، همراه با ارتباطات به لطف بلوغ فناوری هایی که می توانند از آنها استفاده کنند. در حالی که مشارکت صنعت سودمند و امیدوارکننده است، باید مراقب حدس و گمان و "تورم" وحشیانه ای باشیم که از تلاش برای پریدن به یک اتوبوس سریع، بدون داشتن کرایه کامل برای سفر به دست می آید.
و در حالی که من اغلب نسبت به شرکت های کوچکتر شک دارم، شما گاهی اوقات اخبار مربوط به بازیگران بزرگ را دریافت می کنید. به عنوان مثال، شرکت فناوری چینی علی‌بابا به توسعه پلتفرم‌ها و راه‌حل‌های محاسباتی کوانتومی علاقه داشت، تا اینکه ناگهان تصمیم گرفت در پایان سال گذشته تیم کوانتومی داخلی خود را ببندد و اظهار داشت که ترجیح می‌دهد بر پیشرو بودن در تحقیقات هوش مصنوعی تمرکز کند.
آیا این صرفا یک تصمیم تجاری بود یا علی بابا بویی می دهد که ما هنوز بوی آن را نشنیده ایم؟ فکر کنم باید صبر کنیم و ببینیم. به طور کلی، من فکر می کنم آینده روشن است و مشارکت صنعت خبر بسیار خوبی است.
تعدادی از فناوری‌های محاسباتی کوانتومی مختلف وجود دارد که برای کسب رتبه برتر رقابت می‌کنند - از یون‌های به دام افتاده و نقاط کوانتومی گرفته تا کیوبیت‌های ابررسانا و فوتونیک. به نظر شما کدام یک بیشترین احتمال موفقیت را دارد؟
من به نوعی آگنوستیک هستم، از این نظر که معتقد نیستم اولین دستگاه کوانتومی که می‌سازیم کاملاً کوانتومی باشد. من می دانم که برای برخی این یک برداشت بحث برانگیز است، اما این نظری است که بسیاری دیگر در زمینه من به اشتراک گذاشته اند. چیزی که من فکر می کنم در نهایت به یک معماری ترکیبی خواهیم رسید که بهترین آن ها است محاسبات با کارایی بالا (HPC) با معماری های محاسباتی کوانتومی ارتباط برقرار می کند.
شاید اینها کوانتومی در مقیاس متوسط نویزدار (NISQ) معماری ها با یک معماری تمام عیار HPC ملحق خواهند شد که عملکرد آنها را افزایش می دهد یا بالعکس. منابع کوانتومی که توسط این نوع دستگاه هیبریدی روی میز قرار می گیرد، عملکردی را که HPC کلاسیک فعلی می تواند ایجاد کند، افزایش می دهد. من شدیداً به امکان‌پذیری این نوع معماری ترکیبی اعتقاد دارم - یک راه‌حل کاملاً کوانتومی هنوز تا جایی که اکنون هستیم فاصله زیادی دارد.
همچنین، من کاملاً متقاعد نشده‌ام که ما توانایی مدیریت منابع عظیمی را که برای استفاده کامل از شکاف در قدرت محاسباتی که یک کامپیوتر کوانتومی ارائه می‌کند، لازم است، خواهیم داشت. یک هدف میان‌مدت با هدف این معماری کوانتومی هیبریدی HPC، معماری بسیار واقعی‌تر و بالقوه بسیار پربارتر خواهد بود. من نسبتاً خوشبین هستم که چیزی در طول زندگی من اتفاق بیفتد.
شما اشاره کردید که حسگرهای کوانتومی در حال حاضر برای کاربردهای مختلف از جمله مراقبت های بهداشتی، ساخت و ساز و حتی اندازه گیری گرانش در حال توسعه هستند. چه چیزهای جدید و هیجان انگیز در آن زمینه وجود دارد؟
حسگرهای کوانتومی در حال توسعه قابلیت‌های شگفت‌انگیزی برای بررسی مکانیسم‌هایی هستند که تاکنون ناشناخته بوده‌اند. اساسا، این حسگرها به ما کمک می‌کنند تا اثرات کوانتومی بالقوه نیروهایی مانند گرانش را که بسیاری از محققان در بریتانیا به دنبال آن هستند، بهتر تشخیص دهیم. بخش قابل‌توجهی از جامعه تجربی این اهداف را دنبال می‌کنند - با قطب کوانتومی دانشگاه بیرمنگام که در این جبهه پیشرو است.
فکر نمی‌کنم کسی ادعا کند که یک پلتفرم آزمایشی برنده برای دنبال کردن وجود دارد - هم اتم‌های سرد و هم اپتومکانیک برخی از امیدوارکننده‌ترین آنها در این زمینه هستند. اما پیشرفت نظری و تجربی که این حوزه به آن دست یافته است بسیار جالب است.
حسگرهایی که می توانند ماهیت اساسی مکانیسم های فیزیکی گریزان را بررسی کنند، به اعتقاد من، یک پیشرفت کلیدی خواهند بود. و سپس دستگاه‌های حسگر دیگری مانند شتاب‌سنج‌ها یا تصویرگرها وجود دارند که در حال حاضر به خوبی تثبیت شده‌اند. را برنامه ملی فناوری های کوانتومی بریتانیا در حال حاضر پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه داشته است و این فناوری به اندازه کافی در دسترس و بالغ است تا تأثیر واقعی داشته باشد.
من فکر می کنم صنایع باید به شدت در این زمینه سرمایه گذاری کنند زیرا در کنار ارتباطات، حس در خط مقدم اجرای فناوری های کوانتومی در این مرحله قرار دارد.
تنظیم صحنه برای یک بازار کوانتومی: تجارت کوانتومی کجاست و چگونه ممکن است گسترش یابد
و ارتباط کوانتومی چطور؟
ارتباطات کوانتومی احتمالاً ملموس‌ترین مثالی است که در آن پیشرفت تحصیلی به نفع اهداف صنعتی انجام شده است. این یک نمونه کاملاً عالی از آنچه ما می توانیم با همکاری این دو مؤلفه به دست آوریم بود.
در حالی که پیشرفت فوق‌العاده بوده است، جنبه‌های بحث‌انگیز نیز وجود دارد، به‌ویژه وقتی پیامدهای ژئوپلیتیکی بزرگتر یک شبکه کوانتومی جهانی را در نظر بگیریم. موضوع ارتباطات و امنیت داده ها قابل توجه خواهد بود، بنابراین ما باید پیامدهای گسترده تر این پیشرفت های فناوری را به دقت در نظر بگیریم. مرزهای ژئوپلیتیکی پیوسته در حال تغییر هستند و اهداف آنها همیشه با اهداف علمی همسو نیست.
برخی از حوزه های کلیدی که در آن فناوری های هوش مصنوعی و کوانتومی تلاقی می کنند چیست؟ آنها کجا به بهترین وجه به یکدیگر کمک می کنند و چه مشکلاتی وجود دارد؟
. این سوال بسیار مهمی است نیازی به گفتن نیست که جام مقدس برای هر دو منطقه بسیار نزدیک است - هم هوش مصنوعی و هم محاسبات کوانتومی بر اساس توسعه الگوریتم‌های جدید هستند. می شنویم که مردم در مورد یادگیری ماشین کوانتومی (ML) یا هوش مصنوعی کوانتومی صحبت می کنند، اما واقعاً منظور آنها این نیست. آنها به الگوریتم های کوانتومی طراحی شده خاص برای مشکلات هوش مصنوعی یا ML اشاره نمی کنند. منظور آنها هیبریداسیون یادگیری ماشین کلاسیک یا هوش مصنوعی کلاسیک با مشکلات کوانتومی است.
این راه حل ها به زمینه و مشکلی که ما در تلاش برای مقابله با آن هستیم بستگی دارد. اما به طور کلی ما به دنبال تکنیک های کلاسیک برای پردازش مجموعه داده ها هستیم. بهینه سازی مشکلات؛ حل توابع هزینه؛ و کنترل، بهینه سازی و دستکاری مسائل کوانتومی.
این بسیار امیدوارکننده است، زیرا شما بهترین های این دو جهان را در کنار هم قرار می دهید. از نقطه نظر نظری، هدف پرداختن به سؤالاتی در سطح مکانیکی کوانتومی عمومی است که باید به آنها پرداخته شود، و شاید مسائل بزرگتر و پیچیده تر از نظر مقیاس. ما می‌خواهیم ابزارهایی در سطح الگوریتمی بسازیم که به شما امکان می‌دهد با پیچیدگی آن مشکلات به شیوه‌ای قابل تأیید و ادغام کنار بیایید.
و نکته جالب این است که آزمایش ها شروع به تطبیق با پیشرفت های نظری کرده اند. ما در حال حاضر تعدادی راه‌حل، رویکرد و روش‌شناسی داریم که در این سناریوی ترکیبی که در آن ML و پردازش اطلاعات کوانتومی با هم ترکیب می‌شوند، توسعه یافته‌اند.
امیدوارم این آزمایش ها در چند سال آینده به طور کامل بررسی شوند و اگر حباب هوش مصنوعی و کوانتومی ترکید، گرفتار نشویم. با این حال، من شک دارم که چنین باشد، زیرا هوش مصنوعی اینجا باقی مانده است، در حالی که ML اکنون ابزاری است که توسط تحلیلگران داده در سراسر جهان استفاده نمی شود. اگر ما جاه طلبی داریم که پیچیدگی مشکلاتی را که می توانیم و باید با آنها مقابله کنیم، افزایش دهیم، باید روی توسعه این ابزارها تمرکز کنیم.
چه ابتکارات جدیدی در این زمینه در حال انجام است؟
در اوایل سال جاری تحقیق و نوآوری انگلستان (UKRI) اعلام کرد که در حال تامین مالی نه مرکز تحقیقاتی جدید برای «ارائه فناوری‌های هوش مصنوعی انقلابی» برای مقابله با مشکلات پیچیده از مراقبت‌های بهداشتی تا انرژی و همچنین 10 مطالعه دیگر برای تعریف «هوش مصنوعی مسئول» است. من می دانم که تعدادی از اینها دارای یک جزء کوانتومی هستند - به ویژه در مراقبت های بهداشتی، جایی که راه حل های مبتنی بر هوش مصنوعی کاملاً اساسی هستند، اما ممکن است راه حل های کوانتومی نیز وجود داشته باشد.
بنابراین وقتی صحبت از ادغام هوش مصنوعی و فناوری کوانتومی به میان می آید، تا زمانی که توسعه چارچوب هوش مصنوعی تنظیم شده باشد، بسیار خوشبین هستم. در حال حاضر، کمیسیون اروپا در حال تدوین چارچوب قانونی قانون هوش مصنوعی خود استکه به خطراتی که ممکن است هوش مصنوعی ایجاد کند و نقش جهانی که اتحادیه اروپا امیدوار است در تنظیم این فناوری ایفا کند، رسیدگی می کند. هم بریتانیا و هم ایالات متحده مدتی است که روی چارچوب های مشابه کار می کنند، بنابراین ما باید هرچه زودتر برخی از سیاست ها و مقررات جهانی را تدوین کنیم.
تا زمانی که این توسعه از یک سیاست تنظیم شده با چارچوب محکم پیروی می کند، تعاملات هوش مصنوعی با فناوری های کوانتومی باید مکانیزم بازخورد دو طرفه مفیدی ایجاد کند که به رشد قابل توجه هر دو زمینه کمک می کند.
وقتی نوبت به تامین مالی فناوری کوانتومی توسط دولت‌ها در سطح جهانی می‌رسد، مایلید سرمایه‌گذاری بیشتری در چه زمینه‌های خاصی داشته باشید؟
کمک های من! اما در یک نکته جدی تر، سرمایه گذاری در سطح دولت برای چیزی که اساساً هنوز یک حوزه علمی در حال ظهور است، گسترده و قابل توجه بوده است. در مقایسه با برخی دیگر از حوزه‌هایی که بودجه علمی دریافت می‌کنند، مانند تحقیقات نظامی یا پزشکی، مقدار پولی که روی بشقاب گذاشته شده است تقریباً مضحک است – اما البته برای ما چیز بسیار خوبی است. مزیت این نوع مخارج دولتی این است که ما را مجبور می کند یک جامعه تشکیل دهیم و به اهداف مشترک برسیم.
اگر به چهار رکن فوق الذکر اشاره کنیم، پیوندی اساسی میان فیزیک بنیادی و تحولات نظری وجود دارد. کشورهای مختلف بسته به تخصص و منابع خود، یک یا چند ستون را برای تمرکز بر روی آن انتخاب کرده اند. ایالات متحده روی محاسبات بسیار متمرکز است. اتحادیه اروپا گسترده‌تر است و بنابراین وضعیت پیچیده‌تر است، اما سرمایه‌گذاری عمده در ارتباطات و همچنین علاقه فزاینده به شبیه‌سازی وجود دارد، در حالی که تعدادی از استراتژی‌های ملی اتحادیه اروپا نیز بر حس کردن متمرکز هستند.
بریتانیا همچنین در تلاش است تا کل طیف را پوشش دهد، اما برخی موضوعات کاملاً تعریف شده، از تصویربرداری تا محاسبات، و از ارتباطات تا حس را شناسایی می کند. کشورهایی مانند فنلاند هستند که رویکرد تجربی تری دارند و بر معماری های ابررسانا متمرکز هستند، زیرا در حال حاضر امکانات عظیمی در دسترس دارند. از سوی دیگر، سنگاپور در حال توسعه یک خط تحقیقاتی بسیار قوی در زمینه ارتباطات کوانتومی مبتنی بر ماهواره است. برای یک کشور کوچک، هم از نظر استعداد و هم از نظر منابع دارای پتانسیل عظیمی است.
بنابراین کشورهای مختلف حوزه تخصصی خود را به شیوه ای ارگانیک توسعه داده اند. و با انجام این کار، همه ما به عنوان یک جامعه برنده می شویم - همه ما از تمام پیشرفت هایی که به دست آمده است سود می بریم. برخی گام های کودک، برخی گام های افزایشی تر، برخی جهش های کوانتومی عظیم.
من فکر می کنم واقعا مهم است که دولت ها، ملی و فوق ملی، متوجه شوند که سرمایه گذاری در فناوری های کوانتومی باید پایدار باشد. این منطقه ای است که برای رسیدن به اهداف عالی خود به حمایت مستمر و بی وقفه نیاز دارد. و ما، به عنوان جامعه علمی، باید تصویری منسجم با همان مجموعه اهداف، علیرغم هر گونه تفاوتی که داریم، ارائه دهیم. تنها در این صورت است که ما در بهترین موقعیت برای ترجمه فناوری های کوانتومی به واقعیت های تغییر دهنده زندگی خواهیم بود.
به عنوان سردبیر جدید علم و فناوری کوانتومی (QST)، چشم انداز شما برای مجله چیست؟
این یک افتخار بزرگ است، و من کاملاً متملق هستم، اما با توجه به چشم انداز در حال تکامل مجلات مرتبط با کوانتوم، این یک تلاش بزرگ است. چیزی که من برای مجله می‌خواهم این است که مطمئن شوم که QST یکی از راه‌های ترجیحی برای ارسال مشارکت‌های درجه یک باقی می‌ماند. اما من همچنین می‌خواهم به شکل‌گیری مانیفست مجله و اهداف آن کمک کنم.
بنابراین اولویت اول من به عنوان سردبیر، راه اندازی یک هیئت اجرایی بوده است که همراه با حمایت هیئت تحریریه، محدوده و مأموریت مجله را به شیوه ای روشن شکل دهد. و سپس روشی را که مجله طی چند سال آینده با هدایت جامعه تحقیقاتی کوانتومی هدایت خواهد شد، توسعه خواهد داد. از نظر دامنه، من مایلم به‌روزرسانی‌های آزمایشی باکیفیت بیشتری را ببینم که اجرای فناوری‌های کوانتومی را تحت فشار قرار دهد.
IOP Publishing دارای یک توافق متحول کننده (TA) با موسسه شما، از نظر انتشار با دسترسی آزاد. می توانید به من در مورد آن بگویید؟
من فکر می‌کنم تا آنجا که به انتشار خروجی ما مربوط می‌شود، این توافقی بوده است که بازی را تغییر می‌دهد. با معیارهای سختگیرانه‌ای که شوراهای تحقیقاتی بر روی خروجی‌های حمایت شده توسط کمک‌های بلاعوض - برای مثال شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی (EPSRC) - و نیاز به دسترسی کامل به آنها و دسترسی کامل داده‌ها به جامعه، قرار داده‌اند. داشتن یک TA که دسترسی باز را تضمین می کند چیزی است که ما نیاز داریم. خیلی خوب است که خیالتان راحت باشد که انتشارات IOP راه مناسبی برای انتشار خروجی های من مطابق با EPSRC است.
جدا از انطباق با بودجه، توافقنامه IOPP بار اداری رسیدگی به صورت‌حساب‌ها برای هزینه‌های انتشار مقاله (APC) را حذف می‌کند که تسکین بزرگی برای دانشمندان است. من از گسترش این ابتکار - با ایجاد توافق‌های مشابه با سایر شرکت‌های انتشاراتی - حمایت کرده‌ام، اما همچنین اطمینان حاصل کنم که این یک آزمایش یکباره نیست که در یک سال آینده از بین می‌رود. ما باید آن را به شیوه ای که نه تنها در سراسر بریتانیا، بلکه تا آنجا که به من مربوط می شود، اروپا نیز درگیر آن می شود، نظام مند کنیم. باید از همان ابتدا، به روشی که مؤسسات آموزش عالی و مؤسسات تحقیقاتی در حال فعالیت هستند، محصور شود. اطمینان از وجود هم افزایی بین شرکت های انتشاراتی و دانشگاه ها یا موسسات تحقیقاتی بسیار مهم است.
- محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
- PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
- PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
- PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
- منبع: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
