Квантовые загадки: борьба с шумом и повышение квалификации

Есть шутка, обыгрывающая уникальные свойства квантового мира: «В этом мире есть три типа людей: те, кто понимает квантовые вычисления, те, кто не понимает квантовые вычисления, и те, кто одновременно понимают и не понимают. квантовые вычисления». Если отбросить шутки, Вэйвэнь Цзян видит мир, в котором квантовые вычисления широко используются; благодаря новому финансированию Национального научного фонда (NSF) он предпринимает шаги к этой цели.

Цзян, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Джорджа Мейсона, возглавляет два недавно получивших грант NSF проекта общей стоимостью 900 000 долларов США по разработке этих сложных устройств и созданию квантовой рабочей силы завтрашнего дня.

Квантовые компьютеры отличаются от классических компьютеров тем, что они используют элементы квантовой механики для выполнения вычислений, что позволяет им работать намного быстрее и обрабатывать больше данных. Хотя в настоящее время используется несколько действующих квантовых компьютеров (IBM и Google входят в число ведущих производителей), в настоящее время они далеки от обещанного потенциала и просто пока не могут выполнять предсказанные с их помощью крупномасштабные вычисления.

Цзян сказал, что одна из ключевых проблем заключается в том, что «они нестабильны». Мы можем использовать их для вычислений, но сегодня вы можете получить один ответ, а завтра — совершенно другой».

Квантовые устройства общеизвестно чувствительны к «шуму» — в частности, к космическим лучам, изменениям магнитного поля Земли, радиации и даже сигналам мобильного Wi-Fi. Шум способствует нестабильности работы устройств.

Совместный грант в размере 600 000 долларов будет направлен на финансирование работы Цзяна и его сотрудников из Кентского государственного университета по разработке адаптера, который будет адаптироваться к изменяющемуся шуму, улучшая производительность приложений на квантовых устройствах. Цзян хорошо разбирается в этой теме: недавно он выиграл награду за лучший плакат за «Оптимизацию на системном уровне для повышения надежности квантовых приложений на нестабильных квантовых устройствах» на мероприятии в Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Согласно предварительным работам Цзяна, развертывание квантовых приложений сталкивается с рядом проблем, в том числе: устойчивость — на одном квантовом процессоре большинство квантовых приложений чувствительны к временным изменениям квантового шума; переносимость — разные квантовые процессоры (даже от одного производителя) со специфическими свойствами приведут к изменению неопределенности модели; и прозрачность — отсутствие инструментов визуализации может помешать пользователям адаптировать свои квантовые приложения к квантовым компьютерам для повышения надежности. Проект NSF будет систематически предлагать решения в ответ на эти проблемы.

Цзян с оптимизмом смотрит на будущее квантовых вычислений: «Каждый год мы видим множество прорывов. Всего пару месяцев назад IBM опубликовала статью о снижении шума. И каждый год мы видим, что количество кубитов в квантовых компьютерах увеличивается с пяти в 2000 году до более чем 400 в новом компьютере от IBM». (Кубит — это базовая единица информации, используемая в квантовых вычислениях, очень похожая на 1 и 0 в традиционных вычислениях.)

Другой грант, которым Цзян делится с сотрудниками Минчжэнь Тянь и Джессикой Розенберг из Научного колледжа, предоставляет 300 000 долларов от NSF для поддержки потока квантовой рабочей силы. Грант предназначен для «сквозной учебной программы по интеграции квантовых систем». Преподаватели разрабатывают новый курс в Мейсоне, организуют семинары на Международной конференции IEEE по квантовым вычислениям в сентябре (где Цзян является сопредседателем направления квантовых систем) и проводят учебные пособия на международных конференциях. Недавно команда под руководством Розенберга координировала летнюю программу погружения в Мейсон для старшеклассников. Кроме того, в ближайшие месяцы Цзян будет проводить семинары в различных учреждениях, обслуживающих меньшинства, в округе Колумбия.

Цзян сказал, что возможности для квантовых инженеров надежны и растут. «Например, я сотрудничаю на местном уровне с Leidos и MITRE, и у них есть потребности в этой области. Кроме того, мы знаем, что квантовая энергия изменит все: от финансов до открытия лекарств, машинного обучения и не только».