Połączenie nowej generacji koderów kwantowych | Aktualności MIT

Absolwenci California Polytechnic State University Alexander Knapen i Nayana Tiwari oraz doktorant Julian Rice nigdy wcześniej nie programowali na komputerach kwantowych. Ale po 50 godzinach w 2022 r. Interdyscyplinarny Hackathon Kwantowy MIT, zbudowali internetowy serwer czatu kwantowego, który szyfruje wiadomości za pomocą algorytmów kwantowych.

Knapen, Tiwari i Rice niestrudzenie pracowali na serwerze czatu podczas napędzanego adrenaliną weekendu podczas trzeciego dorocznego iQuHACK (wymawiane „i-kwack”, jak kaczka w logo hackathonu). Na iQuHACK 400 osób z 57 krajów zebrało się wirtualnie, aby projektować i budować od podstaw projekty obliczeń kwantowych. Uczestnicy otrzymali możliwość kodowania na prawdziwych komputerach kwantowych, co jest główną atrakcją hackathonu, ponieważ niewiele jest dostępnych dzisiaj. W szczególności hakerzy otrzymali bezpłatny dostęp do komputera kwantowego IonQ (za pośrednictwem usługi Microsoft Azure Quantum) oraz platformy Quantum Inspire firmy QuTech.

„Dzisiaj możesz [easily] zrób aplikację [for phones or normal computers] i umieść go w sklepie z aplikacjami. Nie zabraliśmy się jeszcze do obliczeń kwantowych, ale wydarzenia takie jak ten hackathon zaczynają to umożliwiać”, zastanowić się nad większą dostępnością aplikacji do obliczeń kwantowych, mówi Matthew Keesan, wiceprezes ds. rozwoju w IonQ.

Chociaż wszyscy uczestnicy iQuHACK mieli dostęp do komputerów kwantowych, przybyli na hackathon z różnymi poziomami doświadczenia. Niektórzy hakerzy mają doświadczenie w programowaniu komputerów kwantowych – komputerów, które wykorzystują mechanikę kwantową do rozwiązywania problemów zbyt trudnych dla zwykłych „klasycznych” komputerów, z zastosowaniami takimi jak silniejsze metody szyfrowania dla bezpieczniejszych wiadomości i złożona symulacja molekularna w celu szybszego opracowywania leków – ale inni , podobnie jak Knapen, Tiwari i Rice, musieli szybko się uczyć. Wiedząc o tym, przewodniczący hackathonu, postdoktor MIT, Carlos Errando Herranz, starał się maksymalnie ułatwić naukę, umożliwiając wszystkim wprowadzanie swoich pomysłów w życie. „Chcieliśmy, aby ludzie nauczyli się z pierwszej ręki, że kodowanie na komputerach kwantowych nie jest tak trudne, jak się wydaje”, mówi.

Tegoroczny iQuHACK prezentowali Interdyscyplinarny program informatyki kwantowej i inżynierii MIT (iQuISE), prowadzoną przez studentów grupę absolwentów i doktorantów MIT. W skład komitetu organizacyjnego iQuHACK weszli Carlos Errando Herranz, Shantanu Jha, Jawaher Almutlaq, Shoumik Chowdhury, Hamza Raniwala, Maddie Sutula, Eric Bersin i Michael Walsh.

Pierwszy dzień iQuHACK przybliżył uczestnikom tajniki obliczeń kwantowych. Hakerzy mogą oglądać samouczki na temat korzystania z platform IonQ/Microsoft i Quantum Inspire, a także przejść do „godzin pracy”, aby uzyskać pomoc w konfigurowaniu niezbędnych narzędzi programowych. Później, gdy hackathon był już w pełnym rozkwicie, uczestnicy mogli zasięgnąć wskazówek dotyczących swoich projektów u doświadczonych specjalistów od obliczeń kwantowych z przemysłu i środowisk akademickich, którzy pełnili rolę mentorów podczas hackathonu. „Najbardziej onieśmielające jest to, aby coś zadziałało”, mówi Knapen z internetowego serwera czatu kwantowego, „ale kiedy już mieliśmy pomysł, co chcemy zrobić, bardzo łatwo było napisać kod i go uruchomić i działanie.”

Projekt serwera czatu o nazwie Keytanglement działał na platformie Quantum Inspire, pierwszej publicznie dostępnej platformie obliczeń kwantowych w Europie. „Właściwie możemy zobaczyć, jak działa na żywo” na platformie, mówi Richard Versluis, architekt systemów w Quantum Inspire. „Kiedy wchodzisz na ich stronę i uruchamiasz na telefonie to, co zrobili, widzisz [chat server’s encryption] wysyłanie „pracy”, [the Quantum Inspire] prowadzenie [encryption] algorytmy więc [the results] wracając do serwera WWW.”

Hakerzy z większym doświadczeniem w obliczeniach kwantowych również skorzystali z dostępu do komputerów kwantowych. Zespół pięciu absolwentów Uniwersytetu Yale spędził weekend na zagłębianiu się w najdrobniejsze szczegóły tego, jak komputery kwantowe implementują kod kwantowy. W „Rozwijaniu sprzętu kwantowego, patrząc na to, jak różnorodny” [operations] można wdrożyć jest tak aktywnym kierunkiem studiów – mówi Alex Deters, jeden z członków zespołu Yale University. Bezpośrednia translacja między kodem kwantowym a sprzętem często nie jest możliwa, co powoduje błędy w wynikach. Te współczynniki błędów zależą od konkretnego używanego sprzętu.

„Wiedząc, że będziemy pracować z [quantum computers, we thought] fajnie byłoby przetestować sprzęt[‘s error rates]” mówi Deters. W tym celu zespół zbudował narzędzie do analizy porównawczej, „przypominające standardowe narzędzia informatyczne”, które może zapewnić współczynniki błędów dla dowolnego komputera kwantowego i pomóc w znalezieniu najdokładniejszych algorytmów kwantowych dla określonego sprzętu. Narzędzie o nazwie Quantum RX działało pomyślnie na platformie Quantum Inspire i zapewniało „bardzo cenne” opinie, mówi Versluis.

Pomimo tego, że jest wydarzeniem wirtualnym, iQuHACK stworzył silne poczucie wspólnoty, gromadząc entuzjastów obliczeń kwantowych z całego świata. Wielu hakerów wykorzystało format wirtualny, tworząc zespoły z członkami rozsianymi po wielu krajach. Frederik Hardervig, absolwent studiujący w Niemczech w tym semestrze, uczestniczył w iQuHACK w zeszłym roku jako jednoosobowy zespół i był niezwykle podekscytowany zebraniem w tym roku zespołu wieloosobowego.

„Gdy tylko zobaczyłem [participants] Tomasz [Kazulak] i Danai [Bili] napisz w „szukam drużyny” [Slack channel] i powiedziałem, że są z Europy, zapisałem je i pomyślałem: „Czy możemy się spotkać, proszę?” – mówi Hardervig. W tym czasie Kazulak był w Polsce, a Bili w Anglii. Cała trójka uzupełniła następnie swój zespół o dwóch kolejnych członków, Caspian Chahrom, który był w Szwajcarii i Sneha Shakya, który był w Stanach Zjednoczonych. „Miło było spotkać ludzi z całego świata, którzy robią to samo” – mówi Chahrom.

Pięciu nowo znanych hakerów współpracowało zdalnie i zbudowało nową grę Tetris na platformie IonQ/Microsoft. Gra o nazwie QuanTris działa podobnie do Tetrisa, ale z kwantowym zwrotem – spadające klocki rządzą się prawami mechaniki kwantowej. Dzięki QuantTris hakerzy mieli nadzieję, że w zabawny sposób nauczą graczy koncepcji obliczeń kwantowych.

Podczas hackathonu budowano 75 projektów, a platformy IonQ/Microsoft i Quantum Inspire były intensywnie wykorzystywane. Obie platformy obejmowały komputery kwantowe i symulatory kwantowe, w których ludzie mogli testować swój kod lub bawić się pomysłami, które wymagały większej mocy obliczeniowej, niż może obecnie zapewnić sprzęt. W przypadku platformy IonQ/Microsoft, która udostępniła komputer kwantowy, „popyt był niesamowity”, mówi Keesan. „Podczas hackathonu przeprowadziliśmy około 50 000 symulacji i 1000 programów kwantowych”. W przypadku platformy Quantum Inspire dostępne były dwa komputery kwantowe, każdy wykorzystujący inną technologię kwantową. „Wszystkie nasze systemy działały przez cały weekend”, mówi Versluis, nawet gdy „dziesiątki osób korzystały z systemu w tym samym czasie”.

Oprócz pracy nad projektami hackathonu, uczestnicy mogą uczestniczyć w wykładach prowadzonych przez ekspertów od obliczeń kwantowych, aby uzyskać szerszy obraz dzisiejszej dziedziny. Profesor Mikhail Lukin z Harvard University wygłosił przemówienie programowe iQuHACK 2022, dostarczając historycznych i technicznych informacji na temat obliczeń kwantowych. Profesor MIT, Paola Capellaro, rozpoczęła część hakerską iQuHACK od wstępnych uwag na temat przyszłych kierunków w zastosowaniach obliczeń kwantowych. Eksperci z całej branży wygłosili również serię rozmów technicznych, dostarczając aktualnych informacji na temat wysiłków ich firm w dziedzinie obliczeń kwantowych. „Dużo się dowiedziałem o obecnym stanie wiedzy i [where] pole się porusza”, mówi Hieu Dinh, student MIT. (Dinh był częścią zespołu studentów MIT, którzy zbudowali kwantową wersję Tic Tac Toe, zwaną Qic Qac Qoe, na hackathonie.)

Samouczki, wykłady i inne zasoby dotyczące obliczeń kwantowych iQuHACK 2022, w tym tegoroczne i zeszłoroczne projekty uczestników, są publicznie dostępne na hackathonie. Kanał strumieniowy na Twitchu oraz stronie internetowej. Gdy Errando Herranz kończy swoją kadencję jako prezes iQuHACK, zachęca wszystkich zainteresowanych komputerami kwantowymi do korzystania z tych zasobów, aby „rozpocząć naukę już teraz”, zwłaszcza jeśli chcą wziąć udział w hackathonie w przyszłym roku.

„Dzięki Quantum, kiedy uczysz się w klasie, dostajesz wszystko. Ten hackathon to pierwszy raz, kiedy udało nam się wygenerować pomysł i faktycznie go wdrożyć” — mówi Tiwari z projektu Keytanglement. „Jestem podekscytowany, że mogę to wziąć [experience] i dalej pracuj nad projektami [in quantum computing]”.

Oprócz trzech głównych sponsorów platformy, IonQ, Microsoft i QuTech, hackathon był sponsorowany przez Google Quantum AI, IBM Q, HRL Laboratories, Zapata Computing, Zurich Instruments, QuEra Computing Inc., qBraid, MIT, Research Laboratory of Electronics w MIT, na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki MIT oraz w Centrum Inżynierii Kwantowej MIT.