Demokratisering af kvanteøkosystemet: Microsofts Krysta Svore på vej mod en skalerbar kvantecomputer

Over hele kloden ræser både små og store virksomheder om at udvikle og lancere computerteknologier baseret på kvantefysik. Mens de grundlæggende principper har været på plads i et par årtier, arbejder forskere, industri og regeringer alle på at bygge og opskalere praktiske kvantecomputere, med det amerikanske teknologifirma Microsoft en nøglespiller. 

Tidligere i år fremsatte ingeniør og chef for Microsofts Quantum-team, Krysta Svore, holdt en keynote kl The Economist magasinets Commercializing Quantum begivenhed i London. Hun indhentede senere Fysik verden at diskutere virksomhedens vej mod et skalerbart kvantesystem – fra topologiske qubits til Microsofts Azure quantum cloud-computing platform og hybride partnerskaber til kvantemarkedet som helhed. 

Hvad laver Microsoft i kvanteverdenen lige nu?

Et af de spørgsmål, vi overvejer, er, hvordan man kan accelerere rejsen til kvantefordele. Det, jeg mener med kvantefordel, er først og fremmest, at vi ønsker at kunne løse problemer, der er meningsfulde og vil være med til at flytte vores samfund fremad. Jeg har en datter, og jeg ønsker at ændre fremtiden for hende – jeg vil ikke efterlade hende disse herkuliske udfordringer relateret til bæredygtighed, klimaændringer, energi og at finde bedre måder at bruge ressourcerne på vores planet på. 

Med kvantecomputere er der håb om, at vi kan begynde at løse nogle af disse problemer, men vi vil ikke være i stand til at gøre det med en kvantecomputer som en selvstændig maskine. For at finde ud af, hvordan man kan forbedre nitrogenfiksering, eller opfange kuldioxid og omdanne det til methanol, for eksempel, har du virkelig brug for en hybridløsning, en der integrerer kvantecomputere i en klassisk supercomputer. Så det er det, vi bygger på Microsoft med vores cloud-computing Azure-system. Vi sigter efter at producere en hybrid, heterogen, AI-drevet, kvantedrevet supercomputer, der vil bringe løsninger til disse typer problemer frem. 

Vi tænker også på vores softwareplatform. Vi har studeret kvantealgoritmer i årevis, så vi har taget det, vi har lært om, hvordan man optimerer og kompilerer dem, og bragt den viden til vores platform. Lige nu kan du med Azure afprøve små problemer på et forskelligt sæt ægte hardware, der leveres af vores forskellige partnere. Men du kan også skrive applikationer, udvikle din kode, bestemme, hvor stor en kvantecomputer du skal bruge, og finde ud af, hvordan den vil fungere sammen med en klassisk. Du kan udføre denne integration og begynde at fejlfinde koden nu, fordi den kode forbliver gyldig, når maskinerne skaleres op og bliver fuldt integreret med skyen.

Hvad er din vision for, hvordan vi kommer til en skala, hvor vi kan gøre noget meningsfuldt med en kvantecomputer?

Microsoft har tænkt på skala fra begyndelsen. Vi har studeret kvantealgoritmer; vi har studeret fysikken; vi har arbejdet på hele systemarkitekturen fra software til hardware. Og det, vi har lært om skala, er, at vi skal spørge om noget andet om vores qubits og vores kvantemaskine. 

Gennem årtiers forskning har vi identificeret, at en succesfuld maskine har brug for tre nøglekarakteristika. For det første skal den have den rigtige størrelse. Qubit'en skal være lille nok til, at du kan passe en million på en wafer, så maskinen ikke ender med at blive på størrelse med en skyskraber. Dernæst skal det være den rigtige hastighed. Maskinen skal være hurtig nok til, at når du kører milliarder af operationer, kan de alle være færdige i løbet af få uger, så vi ikke venter mere end en måned på den fulde end-to-end-løsning, der kombinerer klassisk og kvanteelementer. Endelig har vi brug for en qubit, der er pålidelig nok, når vi skalerer op; en, der ikke vil forbruge så mange ressourcer, fordi vi udnytter naturlige, iboende qubit-egenskaber til at rette fejl. Det er det, der vil give os mulighed for at drive milliarder af operationer. 

Hos Microsoft har vi identificeret og designet en qubit, som vi føler er helt rigtig på alle disse punkter: den topologiske qubit. Og inden for de sidste par måneder har vi delt nogle virkelig spændende fremskridt, vi har gjort i retning af at skabe denne qubit. I bund og grund har vi konstrueret enheder, der demonstrerer denne meget uhåndgribelige fysik, som der har været hypoteser om i et århundrede, hvorved såkaldte Majorana nul-tilstande dukker op for enden af ​​nanoskala ledninger. Dette er en signatur af den type fysik, vi har brug for for at demonstrere en topologisk qubit, så det er en meget vigtig milepæl både for videnskaben og for at bygge fundamentet, vi skal sige, "Okay, vi når en million qubits." 

Fortæl mig mere om denne topologiske qubit. Hvordan er det, når det kommer til robusthed? Skal det være ved kryogene temperaturer?

Ja, det fungerer ved kryogene temperaturer, så i den henseende er det meget som nogle andre qubits i industrien, såsom superledende qubits. Det er i et fortyndingskøleskab, og 100 mK er nogenlunde temperaturområdet. Med hensyn til robusthed er dette noget, vi vil arbejde på til vores næste demonstration. Det, vi har vist indtil videre, er den underliggende fundamentale fysik og egenskaberne ved Majorana nul-tilstande, men nu skal vi skabe en qubit ud af det. Med det mener jeg noget man kan udføre operationer med; noget du kan kontrollere og læse op. Når vi gør det, så vil vi være i stand til at måle det og sige: "Okay, her er dens levetid. Her er, hvor sammenhængende det er.” 

Men det vidunderlige ved den topologiske qubit – og grunden til at vi er så investeret i den – er, at den har denne naturlige fejlbeskyttelse, som vi tror vil hjælpe den med at skalere. Denne egenskab stammer fra det faktum, at informationen, som qubit'en koder, på en måde er opdelt på fire Majorana nul-tilstande, en i hver ende af to nanotråde. Hvis naturen forsøger at forstyrre kun en af ​​disse Majorana nul-tilstande, vil det faktisk ikke skade kvantetilstanden. I modsætning hertil, med en superledende qubit, holdes kvantetilstanden på et enkelt punkt, så hvis du får støj på det tidspunkt, dekoherer tilstanden. I modsætning til det har vi en grad af fejlkorrektion eller fejltolerance, der er indbygget i vores topologiske qubit.

På hvilket tidspunkt vil du være i stand til at køre et problem på f.eks. Microsofts topologiske qubits og derefter gentage eksperimentet med en anden type qubit og sikre, at vi får det samme output? 

Jeg elsker, hvor du er på vej hen med dette, og jeg er glad for at fortælle dig, at vi kan gøre det i dag. Faktisk er det en del af skønheden ved Azure Quantum – det giver folk mulighed for at køre den samme kode på flere kvantecomputere gennem den cloud-tjeneste, vi har. Du kan skrive et enkelt stykke kode – måske er det en lille forekomst af Azures algoritme, måske er det kvanteækvivalenten til “hello world” – og køre det på hardware udviklet af virksomheder som f.eks. Kvantinuum , IonQ. Det er begge ionfældeplatforme, men vi samarbejder også med Quantum Circuits Inc. (QCI), som bruger en superledende qubit-platform, og vi har en silicium-halvleder-baseret superledende qubit-platform fra Rigetti computing og en neutral-atom kvanteprocessor platform fra Pascal, som begge snart kommer online.

Så det er fem forskellige quantum-hardware-platforme, der er tilgængelige gennem Azure, og det, der er virkelig pænt, er den fleksibilitet, du har med koden. Du kan skrive din kvantealgoritme ind Q#, som er et sprog på højt niveau til algoritmeudvikling. Det ville være mit valg, men du kan også komme ind med dine egne koder. For eksempel, hvis du tidligere har kørt dit problem på en af ​​IBM's enheder, og du har deres Qiskit kode, der allerede er skrevet, så kan du simpelthen også udføre denne kode på vores system. Du kan vælge en af ​​de fem hardwareplatforme, og den kompilerer koden for dig til den "bagende" du vælger.

Det betyder, at du kan køre den samme applikation på alle disse back-end-enheder og se, hvordan den opfører sig. Fordi disse enheder selvfølgelig har forskellige arkitekturer, forskellige tilslutningsmuligheder og endda forskellige driftshastigheder og nøjagtigheder. Gennem Azure kan du lære alt om disse forskelle og ligheder.

Planlægger du at bringe yderligere hardwareplatforme ind?

Ja, vi tror virkelig på at demokratisere kvantecomputere ved at bringe samfundet ind for at vokse økosystemet. Meget af vores kode- og platformsværktøjer er open source, og såvel som flere hardwareudbydere har vi en lang række simulatorer, der kommer fra vores partnere. Disse er programmer, der hjælper dig med at finde ud af, hvordan din kode vil køre på en given hardwareplatform, før du udfører den. Vi har også såkaldte ressourceestimatorer, som du kan bruge, hvis du vil vide, hvor meget en algoritme kommer til at koste dig at køre, når først maskinerne skaleres op, eller hvor stor en maskine du skal bruge. 

En yderligere spændende udvikling kalder vi Quantum Intermediate Representation (QIR), som giver dig mulighed for at tage et hvilket som helst sprog på højt niveau (vælg din favorit), tilknytte det til QIR og sende det til et hvilket som helst antal back-end-udbydere. Vi ser dette som et vigtigt lag i den globale softwarestak, da det er noget, der letter oversættelse eller kortlægning til forskellig hardware.

Du kan tænke på QIR som et universelt mellemlagssprog, der muliggør kommunikation mellem sprog og maskiner på højt niveau. Mange organisationer har allerede vedtaget det. Det er blevet udviklet som en del af en alliance gennem Linux Foundations Joint Development Foundation. Faktisk QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia , Oak Ridge National Laboratory har alle annonceret, at de vil bygge deres compilere gennem QIR.

Og det er alt sammen en del af det, der hedder LLVM, som er en meget populær klassisk compiler-ramme, så den giver dig mulighed for at udnytte kompilerings- og optimeringsværktøjer fra den klassiske computerindustri. Det reducerer virkelig omkostningerne ved at skrive oversættelser. Ellers ville du skulle skrive ny kode for hvert sprog til hver backend, hvilket ville være meget dyrt.

Kvantemarkedspladsen er på et interessant stadium lige nu. Det ser ud til, at der hver uge lanceres nye kvantevirksomheder, men denne massive boomfase finder sted, før teknologien for alvor har etableret sig. Er du bekymret for, at der kommer en buste?

Jeg tror, ​​at vi har brug for mange, mange hjerner ved bordet for at fremme denne teknologi og for at accelerere vores fremskridt. Traditionelt ville fremskridt med denne type teknologi blive målt i årtier. Tænk bare på den tid, det tog at gå fra opfindelsen af ​​transistoren til at have mobiltelefoner og iPhones. Det ønsker vi ikke med kvanteberegning. Vi vil gerne fremskynde det. 

Jeg tror, ​​at vi har brug for mange, mange hjerner ved bordet for at fremme denne teknologi og for at accelerere vores fremskridt

Den gode nyhed er, at vi har store fordele – vi har allerede software og klassiske computere. Vores forgængere havde ikke evnen til at modellere, hvad de lavede, da de flyttede fra vakuumrør til transistorer til integrerede kredsløb. De havde ikke klassiske computere til at hjælpe dem, hvorimod vi har dem lige ved hånden. Når jeg ser økosystemet vokse – flere virksomheder, flere nystartede virksomheder, flere universitetsuddannelser – ser jeg det som præcis det, vi har brug for.

Så i stedet for at være fokuseret på, om der kommer en buste eller en "kvantevinter", fokuserer jeg på at engagere de tankeledere, bringe de innovatører til bordet og demokratisere kvante, så vi hurtigt kan få løsninger ud. Hvis vi viser fremskridt, vil der ikke være nogen kvantevinter, og jeg tror på, at vi kan gøre det fremskridt på tværs af alle områder, fra enheder og maskiner til software og apps.

Har du en dato i tankerne til "Q-day" - altså den dag, hvor den første praktiske computer kommer online?

Kvantecomputere er allerede online. De er i Azure, og du kan få adgang til dem. Men den hastighed, hvormed vi skalerer op og når kvantefordele, afhænger af, at alle engagerer sig og hopper i. Hos Microsoft løber vi så hurtigt, som vi kan, for at opskalere maskinen og skalere platformen, men vi er også afhængige af mennesker udvikle algoritmer, der kræver færre qubits – måske ved at hoppe ind og bruge QIR til at skabe en bedre kompileringsstak. Fremskridt handler om at gøre en forskel fra begge ender, forbedre maskinen samt reducere omkostningerne ved algoritmer. Det er det, der vil ændre tidslinjen og fremskynde dagen, hvor vi vil se praktiske kvantefordele.