Die Quantum Technology Initiative (QTI) des CERN soll die Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Hochenergiephysik und Quantentechnologie verbessern. Joe McEntee spricht mit Benjamin Frisch, ein Mitglied des CERN QTI-Managementteams und der Wissenstransfergruppe des CERN, über die bisherigen Erfolge und die Prioritäten für die nächste Phase der Initiative, die im Januar 2024 begann
Was sind die langfristigen Ziele für CERN QTI?
In den ersten drei Jahren hat CERN QTI hat den Dialog zwischen der Hochenergiephysik (HEP) und der Quantentechnologie-Gemeinschaft beschleunigt. Es geht darum, ein Verständnis für den gegenseitigen Nutzen zu schaffen, die Möglichkeiten zu identifizieren, die Quanten im HEP bieten, und spezifische Kompetenzbereiche zu etablieren, in denen CERN-Wissenschaftler und -Ingenieure zur Entwicklung von Quantentechnologien und -anwendungen beitragen können – sowohl innerhalb des CERN als auch innerhalb der Industrie und der Industrie Gesamtwirtschaft.
Die im Jahr 2021 veröffentlichte CERN QTI-Roadmap prägt unsere Aktivitäten anhand einer Reihe strategischer Ziele, darunter: wissenschaftliche/technische Entwicklung und Kapazitätsaufbau; Aufbau gemeinsamer Entwicklungspartnerschaften mit Industrie und Wissenschaft; Schaffung einer Quantentechnologie-Community innerhalb von HEP; und enge Integration mit nationalen und internationalen Quanteninitiativen. Diese Referenzpunkte führen zu vielfältigen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen am CERN und spezifischen Projekten, die Quantentheorie und Simulation umfassen; Quantencomputer und Algorithmen; Quantensensorik und verwandte Nanotechnologien; und Quantenvernetzung.
Sie streben also eine stärkere Konvergenz zwischen der HEP- und der Quantentechnologie-Community an?
Richtig. CERN QTI möchte als Anlaufstelle für die F&E-Zusammenarbeit und den Wissensaustausch zwischen den HEP- und Quantentechnologie-Gemeinschaften fungieren, unabhängig davon, ob es sich dabei um akademische, industrielle oder staatliche Partner handelt. Bildung, Öffentlichkeitsarbeit und technische Verbreitung stehen im Vordergrund. Ein typisches Beispiel dafür ist die von CERN QTI ins Leben gerufene und organisierte International Conference on Quantum Technologies for High-Energy Physics (QT4HEP). Die erste Ausgabe, die im November 2022 am CERN stattfand, zog mehr als 250 internationale Experten an (siehe „Das QC4HEP-Weißbuch: Der Wettlauf um Quantenvorteile“ unten). Als Folgeveranstaltung veranstaltete das CERN im November 2023 die siebte Ausgabe der interdisziplinären Konferenz Quantum Techniques in Machine Learning (QTML) mit mehr als 330 Teilnehmern.
Genauer gesagt: Wie maximiert CERN QTI die Zusammenarbeit mit der Quantenindustrie und der Lieferkette?
CERNs Wissenstransfer (KT) gDie Gruppe kümmert sich um die QTI-Aktivitäten des CERN im Hinblick auf die Strategie des industriellen Engagements. Dies beginnt mit einer Analyse des industriellen Ökosystems in den Mitglieds- und assoziierten Mitgliedsstaaten des CERN sowie einer Überprüfung des ungedeckten Bedarfs in der gesamten Quantenlieferkette. All dies wird dann mit dem Quanten-Know-how und den Quantentechnologien des CERN verglichen, um Diskussionen mit der Industrie über Lizenzierung, Beratung, gemeinsame Entwicklungsprojekte und geistiges Eigentum zu unterstützen.
Durch die assoziierte Mitgliedschaft des CERN im European Quantum Industry Consortium (QuIC), einem paneuropäischen Handelsverband für die Quantenindustrie, wurden formelle Verbindungen zu wichtigen Akteuren in der Quantenlieferkette hergestellt. Sichtbarkeit ist in dieser Hinsicht alles, weshalb CERN QTI eine prominente Ausstellerpräsenz bei Flaggschiffveranstaltungen wie der European Quantum Technologies Conference (im Oktober in Hannover, Deutschland) hat, um CERN als potenziellen Innovationspartner für Quantentechnologieunternehmen hervorzuheben.
Wie unterstützt CERN QTI umfassendere Bemühungen zur Entwicklung der spezialisierten Quantenarbeitskräfte?
Eine CERN-Initiative zur Förderung Zur gegenseitigen Befruchtung zwischen HEP und dem Quantentechnologiesektor gehört natürlich auch die Verpflichtung zum Kapazitätsaufbau. CERN ist ein Schmelztiegel von mehr als 16 Menschen – angestellte Wissenschaftler und Ingenieure, Postdoktoranden und Doktoranden sowie mehr als 000 wissenschaftliche Nutzer aus Forschungsinstituten und Universitäten auf der ganzen Welt.
Neben der praktischen Ausbildung bietet CERN QTI dieser vielfältigen Belegschaft fortlaufende Bildung, Schulung und berufliche Weiterentwicklung rund um die Quantentechnik – darunter zum Beispiel den QTI Journal Club, das QTI Theory Forum sowie ein umfangreiches Programm an Vorträgen und Workshops zur Quantenwissenschaft und Schulen. Zu den wichtigsten Schulungsveranstaltungen von CERN QTI gehört der siebenteilige Online-Einführungskurs zum Quantencomputing von Elias Combarro (Universität Oviedo, Spanien). Der Kurs wurde Ende 2020 live und frei empfangbar übertragen und stößt auch heute noch auf großes Interesse.
Das QC4HEP-Whitepaper: Der Wettlauf um Quantenvorteile
Die Bildung einer speziellen Arbeitsgruppe zum Thema Quantencomputing für HEP (QC4HEP) gehörte zu den wichtigsten Entwicklungen auf der International Conference on Quantum Technologies for High-Energy Physics (QT4HEP), die im November 2022 am CERN stattfand.
Die Arbeitsgruppe, der mehr als 50 Mitglieder von HEP-Instituten in der EU, den USA und Japan angehören, hat die Aufgabe, das Potenzial des Quantencomputings zu analysieren, um einen „paradigmatischen Wandel“ in der Computerhardware und -software für die Naturwissenschaften und darüber hinaus herbeizuführen.
„Wir prüfen die Möglichkeit, die benötigten Ressourcen von Fall zu Fall abzuschätzen, um den sogenannten Quantenvorteil zu erreichen, bei dem Berechnungen, die mit klassischen Maschinen unerreichbar oder extrem teuer sind, mit Quantencomputern möglich oder praktisch werden“, sagt Michele Grossi , Quanten-Senior Fellow am CERN und Mitglied von CERN QTI und der QC4HEP-Arbeitsgruppe. „Die Gruppe ist sich bewusst, dass die HEP-Community der Schlüssel zur Erschließung der Leistungsfähigkeit des Quantencomputings ist, da das Gebiet eine reichhaltige Quelle anspruchsvoller Rechenprobleme bietet.“
Auch an Schwung mangelt es nicht. Im Juli dieses Jahres veröffentlichte die QC4HEP-Arbeitsgruppe ein Whitepaper (verfügbar auf arXiv), um Anwendungsfälle in der theoretischen und experimentellen Teilchenphysik zu identifizieren, bei denen Quantencomputing langfristig erhebliche Vorteile bringen könnte. Das Papier wurde von Experten von CERN, DESY, IBM Quantum und über 30 anderen Organisationen verfasst.
„Was die theoretischen Aspekte der Teilchenphysik betrifft“, fügt Grossi hinzu, „gibt es vielversprechende Bereiche im Zusammenhang mit der Entwicklung von Quantenzuständen, der Gittertheorie, Neutrino-Oszillationen und Quantenfeldtheorien im Allgemeinen.“ Auf der experimentellen Seite hebt das Weißbuch unterdessen Bereiche hervor, die mit der Jet- und Schienenrekonstruktion bei Kollisionen hochenergetischer Teilchen, der Extraktion seltener Signale, über das Standardmodell hinausgehenden Problemen und Partonschauern [Strahlungskaskaden] zusammenhängen.“
Die Arbeitsgruppe priorisiert derzeit eine Reihe von HEP-Anwendungen, die im Rahmen der „100×100“-Challenge von IBM Quantum implementiert werden sollen, einem Quantencomputer-Testfeld der nächsten Generation, das 2024 online gehen wird.
Weiterführende Literatur
Alberto Di Meglio et al. 2023 Quantencomputing für die Hochenergiephysik: Stand der Technik und Herausforderungen. Zusammenfassung der QC4HEP-Arbeitsgruppe arXiv
Welche Lehren wurden in Phase I von CERN QTI gezogen?
Es ist ermutigend zu sehen, dass die Expertise von CERN QTI als treibende Kraft für die wissenschaftliche Zusammenarbeit über Disziplinen hinweg weithin anerkannt wird – und tatsächlich als „ehrlicher Vermittler“ fungiert, der die HEP- und Quantentechnologie-Gemeinschaften verbindet. Es gab auch spürbare Fortschritte: Die in den ersten beiden Jahren von CERN QTI verfolgten Projekte weisen auf langfristige Chancen für Quantentechnologien in vielen Bereichen des HEP hin – von theoretischen Überlegungen und Quantencomputer-Infrastrukturen für „Big Data“-Analysen bis hin zur nächsten Generation Detektordesigns für verschiedene Energieregime.
Die Testbed-Innovationen von QUANT-NET: Das Quantennetzwerk neu denken
In Zusammenarbeit mit Industrie- und akademischen Partnern engagiert sich CERN QTI auch für die Skalierung der Talentpipeline – sei es die Unterstützung wissenschaftlicher Programme hier am CERN oder die Übertragung dieser begehrten Fähigkeiten in die aufstrebende Quantenlieferkette. Letzteres ist von entscheidender Bedeutung: Während viele kommerzielle Unternehmen im Quantensektor ein erhebliches Wachstum verzeichnen, haben dieselben Unternehmen Schwierigkeiten, wichtige technische Rollen zu besetzen, die zur Beschleunigung und letztendlich Aufrechterhaltung dieses Wachstums erforderlich sind.
Was kommt als nächstes für CERN QTI?
Phase II der Initiative geht zu EndeIm Januar 2024 geht es um die Konsolidierung und die Priorisierung einer Reihe von Untersuchungen mit potenziell bahnbrechenden Auswirkungen auf das HEP-Forschungsprogramm des CERN. Aus organisatorischer Sicht wird es vier thematische Centers of Competence (CCs) geben. Das CC „Hybrid Quantum Computing Infrastructures and Algorithms“ wird beispielsweise ein fundiertes Verständnis der Leistung und optimalen Nutzung von Quantencomputersystemen (einschließlich der Integration mit Hochleistungsrechenzentren) entwickeln und sicherstellen, dass die Anforderungen der HEP-Community berücksichtigt werden Konto innerhalb der Industrie-Lieferkette. Entlang dieser Koordinate werden gemeinsame Entwicklungspartnerschaften, die an CERN-Anwendungsfälle angepasst sind, von wesentlicher Bedeutung sein.
Das CC zu CERN-Technologien als Quantenplattform-Demonstratoren wird Kompetenzen im Zusammenhang mit Quantencomputer- und Sensortechnologien mit direkten Anwendungen in der Physik über das Standardmodell hinaus entwickeln. Unterdessen zielt das CC on Quantum Networking darauf ab, CERN als Teil der Forschungs- und Entwicklungsgemeinschaft für Quantenkommunikation zu positionieren und Fachwissen zur Implementierung neuartiger Quantennetzwerkprotokolle einzubringen.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/cern-qti-harnessing-big-science-to-accelerate-quantum-innovation/
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