كريستا سفور، نائب رئيس Microsoft Quantum ، يتحدث إلى مفوضية Tushna حول رحلة الشركة إلى الميزة الكمية
في جميع أنحاء العالم ، تتسابق الشركات الصغيرة والكبيرة على حد سواء لتطوير وإطلاق تقنيات الحوسبة القائمة على فيزياء الكم. في حين أن المبادئ الأساسية كانت قائمة منذ عدة عقود ، يعمل الباحثون والصناعة والحكومات جميعًا على بناء وتوسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية العملية ، مع شركة التكنولوجيا الأمريكية Microsoft التي تلعب دورًا رئيسيًا.
في وقت سابق من هذا العام ، مهندس متميز ورئيس فريق Microsoft الكمومي ، Krysta Svore، ألقى كلمة رئيسية في الخبير الاقتصادي مجلة تسويق الكم حدث في لندن. تلاحقت في وقت لاحق مع عالم الفيزياء لمناقشة مسار الشركة نحو نظام كمي قابل للتطوير - من كيوبتات طوبولوجية إلى مايكروسوفت أزور منصة الحوسبة السحابية الكمومية والشراكات الهجينة لسوق الكم ككل.
ما الذي تفعله Microsoft في عالم الكم الآن؟
أحد الأسئلة التي نفكر فيها هو كيفية تسريع الرحلة إلى الميزة الكمية. ما أعنيه بالميزة الكمية هو ، أولاً وقبل كل شيء ، أننا نريد أن نكون قادرين على حل المشكلات ذات المغزى والتي ستساعد في دفع مجتمعنا إلى الأمام. لدي ابنة ، وأريد تغيير المستقبل لها - لا أريد أن أترك لها هذه التحديات الهائلة المتعلقة بالاستدامة وتغير المناخ والطاقة وإيجاد طرق أفضل لاستخدام الموارد على كوكبنا.
مع الحوسبة الكمومية ، هناك أمل في أن نتمكن من البدء في معالجة بعض هذه المشاكل ، لكننا لن نكون قادرين على القيام بذلك باستخدام كمبيوتر كمي كآلة قائمة بذاتها. لمعرفة كيفية تحسين تثبيت النيتروجين ، أو التقاط ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى ميثانول ، على سبيل المثال ، تحتاج حقًا إلى حل هجين ، وهو حل يدمج الحوسبة الكمية في كمبيوتر عملاق كلاسيكي. لذلك هذا ما نبني عليه Microsoft مع نظام Azure للحوسبة السحابية. نحن نهدف إلى إنتاج حاسوب عملاق هجين ، غير متجانس ، مدعوم بالذكاء الاصطناعي ، يعمل بالطاقة الكمومية والذي سيقدم حلولاً لهذه الأنواع من المشاكل.
نحن نفكر أيضًا في منصة البرامج الخاصة بنا. لقد درسنا خوارزميات الكم لسنوات ، لذلك أخذنا ما تعلمناه حول كيفية تحسينها وتجميعها ، وجلبنا هذه المعرفة إلى نظامنا الأساسي. في الوقت الحالي ، مع Azure ، يمكنك تجربة المشكلات الصغيرة على مجموعة متنوعة من الأجهزة الحقيقية التي يوفرها شركاؤنا المتنوعون. ولكن يمكنك أيضًا كتابة التطبيقات ، وتطوير التعليمات البرمجية الخاصة بك ، وتحديد حجم الكمبيوتر الكمي الذي ستحتاج إليه ، ومعرفة كيفية عمله جنبًا إلى جنب مع الكمبيوتر الكلاسيكي. يمكنك إجراء هذا التكامل والبدء في تصحيح أخطاء الكود الآن ، لأن هذا الرمز سيظل صالحًا مع زيادة حجم الأجهزة وتصبح متكاملة تمامًا مع السحابة.
ما هي رؤيتك لكيفية الوصول إلى مقياس يمكننا من خلاله القيام بشيء ذي معنى باستخدام كمبيوتر كمي؟
كانت Microsoft تفكر في الحجم منذ البداية. لقد درسنا الخوارزميات الكمومية. لقد درسنا الفيزياء. لقد عملنا على بنية النظام بالكامل من البرامج إلى الأجهزة. وما تعلمناه عن المقياس هو أننا نحتاج إلى أن نسأل شيئًا مختلفًا عن الكيوبتات الخاصة بنا وعن آلة الكم لدينا.
على مدى عقود من البحث ، حددنا أن الآلة الناجحة تحتاج إلى ثلاث خصائص رئيسية. أولاً ، يجب أن يكون الحجم الصحيح. يجب أن يكون الكيوبت صغيرًا بما يكفي بحيث يمكنك وضع مليون قطعة على رقاقة ، بحيث لا ينتهي الأمر بالماكينة إلى حجم ناطحة سحاب. بعد ذلك ، يجب أن تكون السرعة الصحيحة. يجب أن تكون الآلة سريعة بما يكفي بحيث عند تشغيل مليارات العمليات ، يمكن أن تكتمل جميعها في غضون أسابيع ، بحيث لا ننتظر أكثر من شهر للحصول على حل شامل يجمع بين الكلاسيكية و عناصر الكم. أخيرًا ، نحن بحاجة إلى كيوبت يمكن الاعتماد عليه بدرجة كافية مع زيادة حجمنا ؛ لا يستهلك الكثير من الموارد لأننا نستفيد من خصائص كيوبت الطبيعية الجوهرية لتصحيح الأخطاء. هذا ما سيسمح لنا بإدارة مليارات العمليات.
في Microsoft ، حددنا وصممنا كيوبت نشعر أنه مناسب تمامًا لجميع هذه الاعتبارات: كيوبت الطوبولوجي. وخلال الأشهر القليلة الماضية ، شاركنا بعض التقدم المثير حقًا الذي أحرزناه نحو إنشاء هذا الكيوبت. في الأساس ، لقد صممنا أجهزة تُظهر هذه الفيزياء المراوغة للغاية التي تم افتراضها منذ قرن من الزمان ، حيث يُطلق على تظهر أوضاع ماجورانا الصفرية في نهاية الأسلاك النانوية. هذا توقيع لنوع الفيزياء الذي نحتاجه لإثبات كيوبت طوبولوجي ، لذا فهو معلم مهم جدًا لكل من العلم وبناء الأساس الذي نحتاج أن نقول ، "حسنًا ، سنصل إلى مليون كيوبت."
أخبرني المزيد عن هذا الكيوبت الطوبولوجي. كيف يبدو الأمر عندما يتعلق الأمر بالمتانة؟ هل يجب أن تكون في درجات حرارة شديدة البرودة؟
نعم ، إنها تعمل في درجات حرارة شديدة البرودة ، لذا فهي تشبه إلى حد كبير بعض الكيوبتات الأخرى في الصناعة ، مثل الكيوبتات فائقة التوصيل. إنه موجود في ثلاجة مخففة ، و 100 مللي كلفن هو نطاق درجة الحرارة تقريبًا. فيما يتعلق بالقوة ، هذا شيء سنعمل عليه من أجل العرض التوضيحي التالي. ما أظهرناه حتى الآن هو الفيزياء الأساسية الأساسية وخصائص أوضاع صفر ماجورانا ، لكننا الآن بحاجة إلى إنشاء كيوبت من ذلك. أعني بذلك شيئًا يمكنك إجراء العمليات به ؛ شيء يمكنك التحكم فيه وقراءته. بمجرد القيام بذلك ، سنكون قادرين على قياسه والقول ، "حسنًا ، هذه هي المدة. إليك مدى تماسكها ".
لكن الشيء الرائع في الكيوبت الطوبولوجي - والسبب الذي جعلنا نستثمر فيه - هو أنه يتمتع بحماية طبيعية من الخطأ نعتقد أنها ستساعده على التوسع. تنبع هذه الخاصية من حقيقة أن المعلومات التي يشفرها الكيوبت ، إلى حد ما ، مقسمة عبر أربعة أوضاع صفرية لماجورانا ، واحدة في كل طرف من الأسلاك النانوية. إذا حاولت الطبيعة أن تزعج أحد أوضاع صفر ماجورانا ، فلن تؤذي الحالة الكمومية في الواقع. على النقيض من ذلك ، مع كيوبت فائق التوصيل ، يتم الاحتفاظ بالحالة الكمومية عند نقطة واحدة ، لذلك إذا حصلت على ضوضاء عند هذه النقطة ، فإن الحالة تفكك. على عكس ذلك ، لدينا درجة من تصحيح الخطأ أو التسامح مع الخطأ المدمج في الكيوبت الطوبولوجي الخاص بنا.
في أي نقطة ستكون قادرًا على تشغيل مشكلة ، على سبيل المثال ، كيوبتات Microsoft الطوبولوجية ثم تكرار التجربة باستخدام نوع مختلف من الكيوبت ، والتأكد من حصولنا على نفس الناتج؟
أنا أحب إلى أين تتجه مع هذا ، ويسعدني أن أخبرك أنه يمكننا فعل ذلك اليوم. في الواقع ، هذا جزء من جمال Azure Quantum - فهو يوفر للأشخاص فرصة تشغيل نفس الكود على العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من خلال الخدمة السحابية التي لدينا. يمكنك كتابة جزء واحد من التعليمات البرمجية - ربما يكون مثالًا صغيرًا لخوارزمية Azure ، وربما يكون المكافئ الكمي لـ "hello world" - وتشغيله على أجهزة طورتها شركات مثل الكميات و ايون كيو. هذان هما منصتان أساسيتان لمصائد الأيونات ، لكننا أيضًا نتشارك معه شركة Quantum Circuits Inc. (QCI)، التي تستخدم منصة كيوبت فائقة التوصيل ، ولدينا منصة كيوبت فائقة التوصيل تعتمد على أشباه الموصلات من ريجيتي الحوسبة ومنصة معالج كمي محايد الذرة من محدة ضغط، وكلاهما سيتوفر عبر الإنترنت قريبًا.
هذه خمسة منصات مختلفة للأجهزة الكمومية متاحة من خلال Azure ، والأمر الرائع حقًا هو المرونة التي تتمتع بها مع الكود. يمكنك كتابة الخوارزمية الكمومية في س # ، وهي لغة عالية المستوى لتطوير الخوارزمية. سيكون هذا خياري ، ولكن يمكنك أيضًا إدخال الرموز الخاصة بك. على سبيل المثال ، إذا سبق لك تشغيل مشكلتك على أحد أجهزة IBM وكان لديك كيسكيت رمز مكتوب بالفعل ، ثم يمكنك ببساطة تنفيذ هذا الرمز أيضًا على نظامنا. يمكنك تحديد أي واحد من الأنظمة الأساسية الخمسة للأجهزة وسيقوم بتجميع الكود لك إلى أي "نهاية خلفية" تختارها.
هذا يعني أنه يمكنك تشغيل نفس التطبيق على جميع تلك الأجهزة الخلفية ومعرفة كيف يتصرف. لأن هذه الأجهزة بالطبع لها بنى مختلفة ، واتصال مختلف وحتى سرعات ودقة تشغيل مختلفة. من خلال Azure ، يمكنك معرفة كل شيء عن تلك الاختلافات والتشابهات.
هل تخطط لجلب منصات أجهزة إضافية؟
نعم ، نحن نؤمن حقًا بإضفاء الطابع الديمقراطي على الحوسبة الكمية من خلال إشراك المجتمع في تنمية النظام البيئي. الكثير من أدوات الكود والنظام الأساسي لدينا مفتوحة المصدر ، بالإضافة إلى العديد من مزودي الأجهزة ، لدينا مجموعة متنوعة من أجهزة المحاكاة تأتي من شركائنا. هذه هي البرامج التي تساعدك في معرفة كيفية تشغيل التعليمات البرمجية الخاصة بك على منصة أجهزة معينة ، قبل تنفيذها. لدينا أيضًا ما يسمى مقدرات الموارد ، والتي يمكنك استخدامها إذا كنت تريد معرفة مقدار تكلفة الخوارزمية عليك للتشغيل بمجرد توسيع نطاق الآلات ، أو حجم الجهاز الذي ستحتاج إليه.
تطور مثير آخر هو شيء نسميه التمثيل الكمي المتوسط (QIR)، والذي يسمح لك بأخذ أي لغة عالية المستوى (اختر المفضلة لديك) ، قم بتعيينها إلى QIR وإرسالها إلى أي عدد من موفري النهاية الخلفية. نرى هذا كطبقة مهمة في حزمة البرامج العالمية ، لأنه شيء يسهل الترجمة أو التعيين على أجهزة مختلفة.
يمكنك التفكير في QIR كلغة عالمية متوسطة الطبقة تتيح التواصل بين اللغات والآلات عالية المستوى. لقد تبنته العديد من المنظمات بالفعل. تم تطويره كجزء من تحالف من خلال مؤسسة التنمية المشتركة لمؤسسة Linux. في الواقع ، QCI ، Quantinuum ، Rigetti ، NVIDIA و مختبر أوك ريدج الوطني أعلنوا جميعًا أنهم بصدد بناء المجمعين من خلال QIR.
وكل ذلك جزء مما يسمى LLVM، وهو إطار عمل مترجم كلاسيكي شائع جدًا ، لذا فهو يسمح لك بالاستفادة من أدوات التجميع والتحسين من صناعة الحوسبة الكلاسيكية. هذا حقا يقلل من تكلفة كتابة الترجمات. وإلا ، فسيتعين عليك كتابة رمز جديد لكل لغة إلى كل نهاية خلفية ، الأمر الذي سيكون مكلفًا للغاية.
سوق الكم في مرحلة مثيرة للاهتمام الآن. يبدو أنه يتم إطلاق شركات كمومية جديدة كل أسبوع ، لكن مرحلة الازدهار الهائلة هذه تحدث قبل أن تثبت التكنولوجيا نفسها حقًا. هل أنت قلق من أن يكون هناك تمثال نصفي؟
أعتقد أننا بحاجة إلى العديد من العقول على الطاولة لتطوير هذه التكنولوجيا وتسريع تقدمنا. تقليديا ، مع هذا النوع من التكنولوجيا ، يمكن قياس التقدم في عقود. فكر فقط في الوقت الذي استغرقه الانتقال من اختراع الترانزستور إلى امتلاك الهواتف المحمولة وأجهزة iPhone. لا نريد ذلك مع الحوسبة الكمومية. نريد تسريعها.
أعتقد أننا بحاجة إلى العديد من العقول على الطاولة لتطوير هذه التكنولوجيا وتسريع تقدمنا
النبأ السار هو أن لدينا مزايا ضخمة - لدينا بالفعل برامج وأجهزة كمبيوتر كلاسيكية. لم يكن لدى أسلافنا القدرة على نمذجة ما كانوا يفعلونه عندما كانوا ينتقلون من الأنابيب المفرغة إلى الترانزستورات إلى الدوائر المتكاملة. لم يكن لديهم أجهزة كمبيوتر كلاسيكية لمساعدتهم ، بينما لدينا في متناول أيدينا. عندما أرى النظام الإيكولوجي ينمو - المزيد من الشركات ، والمزيد من الشركات الناشئة ، والمزيد من برامج الشهادات الجامعية - أراها بالضبط ما نحتاجه.
لذا بدلاً من التركيز على ما إذا كان سيكون هناك انهيار أم "شتاء كمي" ، أركز على إشراك قادة الفكر هؤلاء ، وإحضار هؤلاء المبتكرين إلى طاولة المفاوضات وإضفاء الطابع الديمقراطي على الكم حتى نتمكن من الحصول على الحلول بسرعة. إذا أظهرنا تقدمًا ، فلن يكون هناك شتاء كمي ، وأعتقد أنه يمكننا تحقيق هذا التقدم في جميع المجالات ، من الأجهزة والآلات إلى البرامج والتطبيقات.
هل تفكر في موعد "Q-day" - أي اليوم الذي يأتي فيه أول جهاز كمبيوتر عملي إلى الإنترنت؟
أجهزة الكمبيوتر الكمومية موجودة بالفعل على الإنترنت. إنها موجودة في Azure ويمكنك الوصول إليها. لكن المعدل الذي نرتقي به ونصل إلى الميزة الكمية يعتمد على مشاركة كل فرد والانخراط فيه. في Microsoft ، نحن نعمل بأسرع ما يمكن لتوسيع نطاق الجهاز وتوسيع نطاق النظام الأساسي ، لكننا نعتمد أيضًا على الأشخاص تطوير خوارزميات تتطلب عددًا أقل من الكيوبتات - ربما عن طريق القفز واستخدام QIR لإنشاء حزمة تجميع أفضل. يتعلق التقدم بإحداث فرق من كلا الطرفين ، وتحسين الجهاز بالإضافة إلى خفض تكلفة الخوارزميات. هذا ما سيغير الجدول الزمني ويسرع اليوم الذي سنرى فيه ميزة كمية عملية.
