A hibrid architektúrák építésétől az összetett alapvető kérdések megoldásáig, kvantumfizikus Mauro Paternostro felvázolja a kvantumtechnológiában rejlő hatalmas lehetőségeket
A kvantumreneszánsz kellős közepén vagyunk, a tudományos és ipari kutatók mind a kvantumszámítási verseny „nyeréséért” versengenek. A kvantumpiac virágzik, rengeteg vállalat – kicsik és nagyok egyaránt – fektet be ebbe a technológiába, hatalmas állami finanszírozás támogatásával szerte a világon.
Mauro Paternostro, a Palermoi Egyetem és a Belfasti Queen's University kvantumfizikusa, a kvantuminformáció-feldolgozás és a kvantumtechnológia szakértője. A téma alapjain dolgozó csapata úttörő kutatásokat végez az üreg optomechanikája, a kvantumkommunikáció és azon túl. Az IOP Publishing folyóirat főszerkesztője is Kvantumtudomány és technológia.
Ebben a széles körű interjúban Paternostro a Tushna Commissariattal beszél a kvantumtájról alkotott nézeteiről – a kvantumtechnológia és a hibrid architektúrák „négy pillérétől” a kvantumtechnológia és a mesterséges intelligencia (AI) ígéretes házasságáig. Paternostro azt is hangsúlyozza, hogy folyamatos állami finanszírozásra van szükség ahhoz, hogy kiaknázzuk a világot megváltoztató technológiában rejlő valódi lehetőségeket.
Láttuk, hogy az elmúlt évtizedben felrobbant a kvantumbuborék, de mik a potenciális előnyei és kockázatai a kvantumtechnológiai vállalatok és a finanszírozás exponenciális terjeszkedésének világszerte?
Összességében nagyon pozitív a kép. A kvantuminformáció-feldolgozáshoz az ipar lendületére volt szükség, mivel a cégek a gyakorlatiasabb fejlesztéseket szorgalmazhatják, amelyekre a területnek szüksége van. Az ipar által kínált perspektíva segít a kvantumtechnológiák fókuszáltabb alakításában, ha az átfogó célokról van szó. A bimbózó, felrobbanó piac – legyen szó az iparról vagy a tudományos életről – nagyszerű.
De amint rámutat, gyors növekedés ment végbe. És bár ez többnyire jó dolog, egy kis aggodalomra ad okot, hogy esetleg egy nagy buborékot hozunk létre, amely előbb, mint utóbb kipukkan. Szóval szerintem ez kontroll kérdése – némileg vissza kell fognunk magunkat, miközben lehetővé kell tenni a kutatási terület szerves növekedését.
Enyhén aggaszt a kis cégek száma, amelyek úgy tűnik, hogy mind saját kvantumszoftvert fejlesztenek. Termékeiknek nagyon kevés közük van a valódi kvantum-algoritmusokhoz, és jellemzően klasszikus optimalizálási megoldások – amelyeknek megvannak a maguk előnyei. De nem feltétlenül kvantumkeretnek nevezném őket.
Másrészt egyes spin-off cégek inkább a kvantumfeldolgozó platformok, például a kvantumérzékelők megvalósítására irányulnak. Ezek igazán érdekesek, mivel nem csak a kvantumszámításról van szó, hanem más fizikai törvényekről is.
A kvantumtechnológia fejlesztéseit négy pillér támasztja alá: a kvantumszámítás; kvantumszimuláció; kvantumkommunikáció; valamint kvantumérzékelés és metrológia. És azt mondanám, hogy mind a négyen nagyon egészségesen fejlődnek.
A kvantumérzékelés a kommunikációval együtt az egyik legfejlettebbnek tűnik, köszönhetően az általuk hasznosítható technológiák kiforrottságának. Bár az ipar bevonása előnyös és ígéretes, óvakodnunk kell attól a vad spekulációtól és „inflációtól”, amely abból fakad, hogy megpróbálunk felugrani egy gyors buszra anélkül, hogy kéznél lenne a teljes viteldíj.
És bár gyakran szkeptikus vagyok a kisebb társaságokkal szemben, néha aggasztó híreket kapsz a nagy szereplőktől is. A kínai Alibaba technológiai cég például érdekelt volt kvantumszámítási platformok és megoldások fejlesztésében, mígnem tavaly év végén hirtelen úgy döntött, hogy bezárja házon belüli kvantumcsapatát, és kijelentette, hogy inkább az AI-kutatás vezető szerepére kíván koncentrálni.
Ez egyszerűen üzleti döntés volt, vagy az Alibaba olyasmit érez, amit még nem éreztünk? Azt hiszem, várnunk kell, és meglátjuk. Összességében úgy gondolom, hogy a jövő fényes, és az ipar részvétele nagyon jó hír.
Számos különböző kvantumszámítási technológia verseng az első helyre – a csapdába esett ionoktól és kvantumpontoktól a szupravezető és fotonikus qubitekig. Szerinted melyik a legvalószínűbb a sikerre?
Valahogy agnosztikus vagyok, mert nem hiszem, hogy az első kvantumeszköz, amit megépítünk, teljesen kvantum lesz. Tudom, hogy egyesek számára ez ellentmondásos, de a szakterületemen sokan osztják ezt a véleményt. Azt hiszem, a végén egy hibrid architektúrát fogunk elérni, ahol a legjobb nagy teljesítményű számítástechnika (HPC) interfész lesz kvantumszámítási architektúrákkal.
Talán ezeket zajos közepes méretű kvantum (NISQ) az architektúrákhoz egy teljes értékű HPC architektúra csatlakozik, amely növeli a teljesítményüket, vagy fordítva. Az ilyen típusú hibrid eszközök által az asztalra rakott kvantumerőforrások növelik a jelenlegi klasszikus HPC teljesítményét. Erősen hiszek az effajta hibrid architektúra megvalósíthatóságában – a teljesen kvantummegoldás még mindig messze van attól, ahol most tartunk.
Nem vagyok teljesen meggyőződve arról sem, hogy képesek leszünk kezelni azokat a hatalmas erőforrásokat, amelyek szükségesek ahhoz, hogy teljes mértékben kihasználjuk a kvantumszámítógép által kínált számítási teljesítménybeli rést. A hibrid HPC kvantumarchitektúra középtávú célja egy sokkal reálisabb – és potenciálisan nagyon gyümölcsöző – architektúra lesz, amelyet követni kell. Enyhén bizakodó vagyok, hogy valami történni fog az életemben.
Említette, hogy a kvantumérzékelőket már sokféle alkalmazásra fejlesztik, beleértve az egészségügyet, az építőiparban és a gravitáció mérésében is. Mi az új és izgalmas ezen a területen?
A kvantumérzékelők elképesztő képességeket fejlesztenek ki olyan mechanizmusok vizsgálatára, amelyek eddig megfoghatatlanok voltak. Lényegében ezek az érzékelők segítenek abban, hogy jobban észleljük az olyan erők lehetséges kvantumhatásait, mint a gravitáció, amelyre az Egyesült Királyságban sok kutató érdeklődik. A kísérleti közösség jelentős része követi ezeket a célokat – ezen a területen a Birminghami Egyetem kvantumközpontja vezet.
Nem hiszem, hogy bárki is azt állítaná, hogy van egy nyerő kísérleti platform, amelyet folytatni kell – ebből a szempontból mind a hideg atomok, mind az optomechanika a legígéretesebbek közé tartozik. De az elméleti és kísérleti előrehaladás, amit ezen a területen elért, nagyon érdekes.
Úgy gondolom, hogy kulcsfontosságú fejlesztést jelentenek azok az érzékelők, amelyek képesek megszondázni a megfoghatatlan fizikai mechanizmusok alapvető természetét. És vannak más érzékelő eszközök, például gyorsulásmérők vagy képalkotó eszközök, amelyek már elég jól beváltak. A Az Egyesült Királyság Nemzeti Kvantumtechnológiai Programja már jelentős előrelépést tett e tekintetben, és a technológia elérhető és elég kiforrott ahhoz, hogy valódi hatást fejtsen ki.
Úgy gondolom, hogy az iparágaknak jelentős befektetéseket kellene ezen a területen befektetni, mert a kommunikáció mellett az érzékelés jelenleg a kvantumtechnológiák megvalósításának élén áll.
A kvantumpiac színhelye: hol tart a kvantumüzlet, és hogyan bontakozhat ki
És mi a helyzet a kvantumkommunikációval?
A kvantumkommunikáció valószínűleg a legkonkrétabb példa arra, hogy az akadémiai fejlődést az ipar által irányított célok javára munkába állították. Ez egy nagyszerű példa arra, hogy mit érhetünk el, ha ez a két összetevő együtt működik.
Bár a haladás fantasztikus volt, vannak ellentmondásos szempontok is, különösen, ha figyelembe vesszük a globális kvantumhálózat nagyobb geopolitikai vonatkozásait. Jelentőssé válik a kommunikáció és az adatbiztonság kérdése, ezért alaposan át kell gondolnunk e technológiai fejlesztések tágabb vonatkozásait. A geopolitikai határok folyamatosan változnak, és céljaik nem mindig esnek egybe a tudományos célokkal.
Melyek azok a kulcsfontosságú területek, ahol az AI és a kvantumtechnológiák keresztezik egymást? Hol segítik a legjobban egymást, és mik a lehetséges problémák?
Ez egy nagyon fontos kérdés. Mondanunk sem kell, hogy a Szent Grál mindkét területen nagyon közel van – mind az AI, mind a kvantumszámítás új algoritmusok kifejlesztésén alapul. Hallani, hogy az emberek a kvantumgépi tanulásról (ML) vagy a kvantum AI-ról beszélnek, de valójában nem erre gondolnak. Nem utalnak kifejezetten AI vagy ML problémákra tervezett kvantum algoritmusokra. Ez a klasszikus gépi tanulás vagy a klasszikus mesterséges intelligencia kvantumproblémákkal való hibridizációja.
Ezek a megoldások a területtől és a kezelni kívánt problémától függenek. Általában azonban az adathalmazok feldolgozásának klasszikus technikáit vizsgáljuk; optimalizálási problémák; költségfüggvények megoldása; valamint a kvantumproblémák ellenőrzése, optimalizálása és manipulálása.
Nagyon ígéretes, hiszen a két világ legjobbjait rakod össze. Elméleti szempontból a cél az, hogy általános kvantummechanikai szinten kezeljük azokat a kérdéseket, amelyekkel foglalkozni kell, és talán a nagyobb és bonyolultabb léptékű problémákat. Algoritmikus szintű eszközöket szeretnénk építeni, amelyek lehetővé teszik, hogy igazolhatóan és konszolidált módon megbirkózzon a problémák összetettségével.
És az az érdekes, hogy a kísérletek elkezdték utolérni az elméleti fejleményeket. Már számos olyan megoldást, megközelítést és módszertant fejlesztettünk ki ebben a hibrid forgatókönyvben, ahol az ML és a kvantuminformáció-feldolgozás találkozik.
Remélem, hogy ezeket a kísérleteket az elkövetkező néhány évben teljes körűen kivizsgálják, és nem fognak elakadni, ha az AI és a kvantumbuborék kipukkan. Kétlem, hogy ez így lenne, mert a mesterséges intelligencia azért van, hogy maradjon, míg az ML ma már az adatelemzők által világszerte használt kihagyhatatlan eszköz. Ha bármilyen ambíciónk van, hogy növeljük azon problémák összetettségét, amelyeket meg tudunk és meg kell oldani, akkor ezen eszközök fejlesztésére kell összpontosítanunk.
Milyen új kezdeményezések zajlanak ezen a területen?
Korábban ebben az évben, Egyesült Királyság kutatás és innováció (UKRI) bejelentette, hogy kilenc új kutatási központot finanszíroz a „forradalmi mesterséges intelligencia-technológiák megvalósítására”, amelyek az egészségügytől az energiaig terjedő összetett problémák megoldására irányulnak, valamint 10 másik tanulmányt a „felelős mesterséges intelligencia” meghatározására. Tudom, hogy ezek közül többnek van kvantumkomponense – különösen az egészségügyben, ahol a mesterséges intelligencia alapú megoldások alapvetőek, de lehetnek kvantummegoldások is.
Szóval nagyon optimista vagyok a mesterséges intelligencia és a kvantumtech összeolvadását illetően, mindaddig, amíg az AI keretrendszer fejlesztése szabályozva van. Jelenleg a Az Európai Bizottság megfogalmazza a mesterségesintelligencia-törvény jogi keretét, amely foglalkozik a mesterséges intelligencia által jelentett kockázatokkal, valamint azzal a globális szereppel, amelyet az EU remél a technológia szabályozásában. Mind az Egyesült Királyság, mind az USA már egy ideje hasonló kereteken dolgozik, ezért előbb-utóbb valamilyen globális politikát és szabályozást kellene megfogalmaznunk.
Mindaddig, amíg ez a fejlesztés szilárd kerettel rendelkező szabályozott politikát követ, az AI kvantumtechnológiákkal való interakcióinak hasznos, kétirányú visszacsatolási mechanizmust kell létrehozniuk, amely elősegíti mindkét terület jelentős növekedését.
Ha a kormányok kvantumtechnológiai finanszírozásáról van szó a globális színtéren, milyen konkrét területeken szeretne további befektetéseket látni?
Az én támogatásaim! De ami még komolyabb, a kormányzati szintű beruházások széles körben elterjedtek és jelentősek a lényegében még mindig kialakulóban lévő tudományterületen. Összehasonlítva néhány más tudományos támogatásban részesülő területtel, mint például a katonai vagy orvosi kutatásokkal, szinte nevetséges a tányérra helyezett pénzmennyiség – de ez természetesen nagyon jó dolog számunkra. Az ilyen típusú kormányzati kiadások előnye, hogy közösséget alkotunk és közös célokat tűzünk ki magunk elé.
Ha az előbb említett négy pillérre hivatkozunk, akkor az alapvető fizika és az elméleti fejlemények mögöttes összefüggés áll fenn. Különböző országok szakértelmüktől és erőforrásaiktól függően választottak egy vagy több pillért, amelyre összpontosítanak. Az USA nagy hangsúlyt fektet a számításokra. Az EU szélesebb körben elterjedt, így a helyzet összetettebb, de jelentős befektetések vannak a kommunikációba, valamint egyre nagyobb az érdeklődés a szimulációk iránt, miközben számos uniós nemzeti stratégia is az érzékelésre összpontosít.
Az Egyesült Királyság is megpróbálja lefedni a teljes spektrumot, de azonosít néhány nagyon jól körülhatárolt témát, a képalkotástól a számításig és a kommunikációtól az érzékelésig. Vannak olyan országok, mint Finnország, amelyek kísérletezőbb megközelítést alkalmaznak, és a szupravezető architektúrákra összpontosítanak, mivel már hatalmas létesítményekkel rendelkeznek. Szingapúr ezzel szemben egy nagyon erős kutatási vonalat fejleszt a műholdas alapú kvantumkommunikáció terén. Egy kis ország számára óriási lehetőségek rejlenek, mind a tehetség, mind az erőforrások tekintetében.
Így a különböző országok szerves módon alakították ki saját szakterületüket. És ezzel közösségként mindannyian nyerünk – mindannyian profitálunk az elért haladásból. Néhány babalépés, néhány fokozatos lépés, néhány hatalmas kvantumugrás.
Szerintem nagyon fontos lesz, hogy a nemzeti és szupernemzeti kormányok felismerjék, hogy a kvantumtechnológiákba való befektetést fenn kell tartani. Ez egy olyan terület, amelynek folyamatos, töretlen támogatásra van szüksége, hogy elérje magasztos céljait. Nekünk, mint tudományos közösségnek egy koherens képet kell vetítenünk ugyanazokkal a célokkal, bármilyen különbségünk ellenére. Csak akkor leszünk a legjobb helyzetben ahhoz, hogy a kvantumtechnológiákat az életet megváltoztató valóságokká alakítsuk át.
Az új főszerkesztőként Kvantumtudomány és technológia (QST), mi az elképzelése a folyóiratról?
Ez egy nagy megtiszteltetés, és teljesen hízelgő vagyok, de ez egy nagy erőfeszítés is, tekintettel a kvantumokkal kapcsolatos folyóiratok fejlődő tájára. Azt szeretném, hogy a folyóirat megbizonyosodjon arról, hogy a QST továbbra is az egyik előnyben részesített módja a kiváló hozzászólások benyújtásának. De szeretnék segíteni a folyóirat kiáltványának és céljainak kialakításában is.
Főszerkesztőként ezért az volt az első prioritásom, hogy felállítsak egy olyan ügyvezető testületet, amely a szerkesztőbizottság támogatásával egyértelműen alakítja a folyóirat hatókörét és küldetését. Ez pedig tájékoztatni fogja a folyóirat fejlődését az elkövetkező néhány évben, a kvantumkutatói közösség irányításával. A hatókört tekintve több minőségi kísérleti frissítést szeretnék látni, amelyek a kvantumtechnológiák megvalósításának borítékát kitolják.
Az IOP Publishing rendelkezik a átalakító megállapodás (TA) az intézményével, a nyílt hozzáférésű publikálás tekintetében. Tudsz erről mesélni?
Úgy gondolom, hogy ez egy megváltoztató megállapodás volt, ami az eredményeink publikálását illeti. Azokkal a szigorú kritériumokkal, amelyeket a kutatói tanácsok – például a Mérnöki és Fizikai Tudományok Kutatói Tanácsának (EPSRC) – támogatásokkal támogatott eredményekkel szemben támasztottak, és annak szükségessége, hogy ezek teljes mértékben hozzáférhetőek legyenek, és az adatok teljes mértékben elérhetőek legyenek a közösség számára, olyan TA-ra van szükségünk, amely garantálja a nyílt hozzáférést. Nagyszerű, hogy megnyugodhatunk, hogy az IOP Publishing egy járható út az EPSRC-kompatibilis kimeneteim közzétételére.
A finanszírozásnak való megfelelés mellett az IOPP-megállapodás eltávolítja a cikk közzétételi díjak (APC) számláinak kezelésével járó adminisztratív terheket, ami nagy könnyebbséget jelent a tudósok számára. Szorgalmaztam a kezdeményezés kiszélesítését – hasonló megállapodások megkötésével más kiadókkal –, de azt is, hogy ez ne egy egyszeri kísérlet legyen, amely a következő egy évben elenyészik. Szisztematikussá kell tennünk azt, ahogyan az intézmények részt vesznek nem csak az Egyesült Királyságban, hanem szerintem Európában is. Kezdettől fogva bele kell foglalni a felsőoktatási intézmények, kutatóintézetek működésébe. Kulcsfontosságú a szinergia biztosítása a kiadóvállalatok és az egyetemek vagy kutatóintézetek között.
- SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
- PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
- PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
- Forrás: https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
