Krysta Svore, Vizepräsident von Microsoft Quantum, spricht mit dem Tushna Commissariat über den Weg des Unternehmens zum Quantenvorteil
Auf der ganzen Welt wetteifern kleine und große Unternehmen um die Entwicklung und Einführung von Computertechnologien auf der Grundlage der Quantenphysik. Während die Grundprinzipien bereits seit einigen Jahrzehnten vorliegen, arbeiten Forscher, Industrie und Regierungen alle daran, praktische Quantencomputer zu bauen und zu skalieren, wobei das US-amerikanische Technologieunternehmen Microsoft ein wichtiger Akteur ist.
Anfang dieses Jahres, angesehener Ingenieur und Leiter von Das Quantum-Team von Microsoft, Krysta Svore, hielt eine Keynote bei The Economist „Commercializing Quantum“ des Magazins Veranstaltung in London. Später holte sie es ein Physik-Welt um den Weg des Unternehmens zu einem skalierbaren Quantensystem zu diskutieren – von topologischen Qubits bis hin zu Microsoft Azure Quanten-Cloud-Computing-Plattform und Hybridpartnerschaften bis hin zum Quantenmarkt als Ganzes.
Was macht Microsoft derzeit in der Quantenwelt?
Eine der Fragen, mit denen wir uns beschäftigen, ist, wie wir den Weg zum Quantenvorteil beschleunigen können. Unter Quantenvorteil verstehe ich zunächst einmal, dass wir in der Lage sein wollen, sinnvolle Probleme zu lösen, die dazu beitragen, unsere Gesellschaft voranzubringen. Ich habe eine Tochter und möchte die Zukunft für sie verändern – ich möchte ihr diese Herkulesherausforderungen im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit, Klimawandel, Energie und der Suche nach besseren Möglichkeiten zur Nutzung der Ressourcen unseres Planeten nicht hinterlassen.
Es besteht die Hoffnung, dass wir mit Quantencomputern einige dieser Probleme angehen können, aber mit einem Quantencomputer als eigenständiger Maschine wird uns das nicht gelingen. Um herauszufinden, wie man beispielsweise die Stickstofffixierung verbessern oder Kohlendioxid einfangen und in Methanol umwandeln kann, braucht man wirklich eine Hybridlösung, die Quantencomputing in einen klassischen Supercomputer integriert. Darauf bauen wir also auf Microsoft mit unserem Cloud-Computing-System Azure. Unser Ziel ist es, einen hybriden, heterogenen, KI- und Quanten-Supercomputer zu entwickeln, der Lösungen für diese Art von Problemen liefern wird.
Wir denken auch über unsere Softwareplattform nach. Wir beschäftigen uns schon seit Jahren mit Quantenalgorithmen, daher haben wir das, was wir über deren Optimierung und Kompilierung gelernt haben, auf unsere Plattform übertragen. Derzeit können Sie mit Azure kleine Probleme auf einem vielfältigen Satz realer Hardware ausprobieren, der von unseren verschiedenen Partnern bereitgestellt wird. Sie können aber auch Anwendungen schreiben, Ihren Code entwickeln, entscheiden, wie groß ein Quantencomputer ist, den Sie benötigen, und ausarbeiten, wie er neben einem klassischen Computer funktioniert. Sie können diese Integration durchführen und jetzt mit dem Debuggen des Codes beginnen, da dieser Code gültig bleibt, wenn die Maschinen skaliert werden und vollständig in die Cloud integriert werden.
Was ist Ihre Vision, wie wir mit einem Quantencomputer eine Größenordnung erreichen können, in der wir etwas Sinnvolles tun können?
Microsoft hat von Anfang an über Skalierung nachgedacht. Wir haben Quantenalgorithmen untersucht; wir haben die Physik studiert; Wir haben an der gesamten Systemarchitektur von der Software bis zur Hardware gearbeitet. Und was wir über die Skalierung gelernt haben, ist, dass wir von unseren Qubits und unserer Quantenmaschine etwas anderes verlangen müssen.
Im Laufe jahrzehntelanger Forschung haben wir herausgefunden, dass eine erfolgreiche Maschine drei Schlüsselmerkmale benötigt. Erstens muss es die richtige Größe haben. Das Qubit muss so klein sein, dass eine Million auf einen Wafer passt, damit die Maschine am Ende nicht die Größe eines Wolkenkratzers hat. Als nächstes muss es die richtige Geschwindigkeit sein. Die Maschine muss schnell genug sein, damit bei Milliarden von Vorgängen alle in wenigen Wochen abgeschlossen werden können, sodass wir nicht länger als einen Monat auf die vollständige End-to-End-Lösung warten müssen, die klassische und klassische Vorgänge kombiniert Quantenelemente. Schließlich brauchen wir ein Qubit, das bei der Skalierung zuverlässig genug ist; eines, das nicht so viele Ressourcen verbraucht, weil wir die natürlichen, intrinsischen Eigenschaften von Qubits nutzen, um Fehler zu korrigieren. Das wird es uns ermöglichen, Milliarden von Operationen durchzuführen.
Bei Microsoft haben wir ein Qubit identifiziert und entworfen, das unserer Meinung nach in all diesen Punkten genau richtig ist: das topologische Qubit. Und in den letzten Monaten haben wir über einige wirklich aufregende Fortschritte berichtet, die wir bei der Entwicklung dieses Qubits gemacht haben. Im Wesentlichen haben wir Geräte entwickelt, die diese sehr schwer fassbare Physik demonstrieren, über die seit einem Jahrhundert Hypothesen aufgestellt werden, wobei sogenannte Am Ende nanoskaliger Drähte entstehen Majorana-Nullmoden. Dies ist eine Signatur der Art von Physik, die wir zum Nachweis eines topologischen Qubits benötigen. Es ist also ein sehr wichtiger Meilenstein sowohl für die Wissenschaft als auch für den Aufbau der Grundlage, die wir brauchen, um zu sagen: „Okay, wir werden eine Million Qubits erreichen.“
Erzählen Sie mir mehr über dieses topologische Qubit. Wie sieht es mit der Robustheit aus? Muss es kryogene Temperaturen haben?
Ja, es arbeitet bei kryogenen Temperaturen und ähnelt in dieser Hinsicht einigen anderen Qubits in der Branche, beispielsweise supraleitenden Qubits. Es befindet sich in einem Verdünnungskühlschrank und 100 mK entspricht ungefähr dem Temperaturbereich. Im Hinblick auf die Robustheit werden wir bei unserer nächsten Demonstration daran arbeiten. Bisher haben wir die zugrunde liegende grundlegende Physik und die Eigenschaften der Majorana-Nullmoden gezeigt, aber jetzt müssen wir daraus ein Qubit erstellen. Damit meine ich etwas, mit dem Sie Operationen durchführen können; etwas, das man kontrollieren und auslesen kann. Sobald wir das tun, können wir es messen und sagen: „Okay, hier ist seine Lebensdauer.“ Hier sehen Sie, wie kohärent es ist.“
Aber das Wunderbare am topologischen Qubit – und der Grund, warum wir so in es investieren – ist, dass es über diesen natürlichen Fehlerschutz verfügt, von dem wir glauben, dass er ihm bei der Skalierung helfen wird. Diese Eigenschaft ergibt sich aus der Tatsache, dass die vom Qubit kodierten Informationen gewissermaßen auf vier Majorana-Nullmoden aufgeteilt sind, eine an jedem Ende von zwei Nanodrähten. Wenn die Natur versucht, nur einen dieser Majorana-Nullmoden zu stören, wird dies dem Quantenzustand nicht wirklich schaden. Im Gegensatz dazu wird bei einem supraleitenden Qubit der Quantenzustand an einem einzigen Punkt gehalten. Wenn also an diesem Punkt Rauschen auftritt, dekohärt der Zustand. Im Gegensatz dazu verfügen wir über ein gewisses Maß an Fehlerkorrektur oder Fehlertoleranz, das in unser topologisches Qubit eingebaut ist.
Ab wann können Sie ein Problem beispielsweise mit den topologischen Qubits von Microsoft ausführen und dann das Experiment mit einem anderen Qubit-Typ wiederholen und sicherstellen, dass wir die gleiche Ausgabe erhalten?
Mir gefällt, wohin Sie damit gehen, und ich freue mich, Ihnen mitteilen zu können, dass wir das heute schaffen können. Tatsächlich ist das ein Teil des Charmes von Azure Quantum – es bietet Menschen die Möglichkeit, über den von uns bereitgestellten Cloud-Service denselben Code auf mehreren Quantencomputern auszuführen. Sie können einen einzelnen Code schreiben – vielleicht ist es eine kleine Instanz des Azure-Algorithmus, vielleicht ist es das Quantenäquivalent von „Hallo Welt“ – und ihn auf Hardware ausführen, die von Unternehmen wie entwickelt wurde Quantum und IonQ. Das sind beides Ionenfallenplattformen, aber wir arbeiten auch mit ihnen zusammen Quantum Circuits Inc. (QCI), das eine supraleitende Qubit-Plattform verwendet, und wir haben eine supraleitende Qubit-Plattform auf Siliziumhalbleiterbasis von Rigetti Computing und eine Neutralatom-Quantenprozessorplattform von Pascal, beide werden bald online sein.
Das sind also fünf verschiedene Quanten-Hardware-Plattformen, die über Azure verfügbar sind, und was wirklich toll ist, ist die Flexibilität, die Sie mit dem Code haben. Sie können Ihren Quantenalgorithmus einschreiben Q#, eine Hochsprache für die Algorithmenentwicklung. Das wäre meine Wahl, aber Sie können auch Ihre eigenen Codes einreichen. Wenn Sie beispielsweise Ihr Problem zuvor auf einem der IBM-Geräte ausgeführt haben und über eines verfügen Qiskit Wenn Sie bereits Code geschrieben haben, können Sie diesen Code einfach auch auf unserem System ausführen. Sie können eine der fünf Hardwareplattformen auswählen und der Code wird für Sie in das von Ihnen gewählte „Backend“ kompiliert.
Das bedeutet, dass Sie dieselbe Anwendung auf allen Back-End-Geräten ausführen und sehen können, wie sie sich verhält. Denn natürlich haben diese Geräte unterschiedliche Architekturen, unterschiedliche Konnektivität und sogar unterschiedliche Betriebsgeschwindigkeiten und -treue. Über Azure können Sie alles über diese Unterschiede und Gemeinsamkeiten erfahren.
Planen Sie die Einführung zusätzlicher Hardwareplattformen?
Ja, wir glauben wirklich an die Demokratisierung des Quantencomputings, indem wir die Community einbeziehen, um das Ökosystem zu vergrößern. Ein Großteil unserer Code- und Plattformtools ist Open Source, und neben mehreren Hardwareanbietern verfügen wir über eine ganze Reihe von Simulatoren unserer Partner. Hierbei handelt es sich um Programme, mit denen Sie herausfinden können, wie Ihr Code auf einer bestimmten Hardwareplattform ausgeführt wird, bevor Sie ihn ausführen. Wir verfügen auch über sogenannte Ressourcenschätzer, die Sie verwenden können, wenn Sie wissen möchten, wie viel die Ausführung eines Algorithmus kosten wird, sobald die Maschinen skaliert werden, oder wie groß die Maschine ist, die Sie benötigen.
Eine weitere spannende Entwicklung nennen wir Quantenzwischenrepräsentation (QIR), mit dem Sie eine beliebige Hochsprache (wählen Sie Ihren Favoriten) auf QIR abbilden und an eine beliebige Anzahl von Back-End-Anbietern senden können. Wir betrachten dies als eine wichtige Ebene im globalen Software-Stack, da sie eine einfache Übersetzung oder Zuordnung auf unterschiedliche Hardware ermöglicht.
Sie können sich QIR als eine universelle Mittelschichtsprache vorstellen, die die Kommunikation zwischen Hochsprachen und Maschinen ermöglicht. Viele Organisationen haben es bereits übernommen. Es wurde im Rahmen einer Allianz durch die entwickelt Gemeinsame Entwicklungsstiftung der Linux Foundation. Tatsächlich QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia und Oak Ridge Nationales Laboratorium haben alle angekündigt, dass sie ihre Compiler über QIR erstellen werden.
Und es ist alles Teil dessen, was man nennt LLVM, ein sehr beliebtes klassisches Compiler-Framework, mit dem Sie Kompilierungs- und Optimierungstools aus der klassischen Computerbranche nutzen können. Das senkt die Kosten für das Verfassen von Übersetzungen erheblich. Andernfalls müssten Sie für jede Sprache und jedes Backend neuen Code schreiben, was sehr teuer wäre.
Der Quantenmarkt befindet sich derzeit in einer interessanten Phase. Es scheint, als würden jede Woche neue Quantenunternehmen gegründet, aber diese massive Boomphase findet statt, bevor sich die Technologie wirklich etabliert hat. Befürchten Sie, dass es zu einer Pleite kommt?
Ich glaube, dass wir viele, viele Köpfe am Tisch brauchen, um diese Technologie voranzutreiben und unseren Fortschritt zu beschleunigen. Traditionell würden Fortschritte bei dieser Art von Technologie in Jahrzehnten gemessen. Denken Sie nur an die Zeit, die von der Erfindung des Transistors bis zur Entwicklung von Mobiltelefonen und iPhones verging. Das wollen wir beim Quantencomputing nicht. Wir wollen es beschleunigen.
Ich glaube, dass wir viele, viele Köpfe am Tisch brauchen, um diese Technologie voranzutreiben und unseren Fortschritt zu beschleunigen
Die gute Nachricht ist, dass wir große Vorteile haben – wir haben bereits Software und klassische Computer. Unsere Vorgänger hatten nicht die Möglichkeit zu modellieren, was sie taten, als sie von Vakuumröhren über Transistoren zu integrierten Schaltkreisen übergingen. Sie hatten keine klassischen Computer, die ihnen helfen konnten, während wir sie zur Hand haben. Wenn ich sehe, dass das Ökosystem wächst – mehr Unternehmen, mehr Start-ups, mehr Universitätsstudiengänge – sehe ich darin genau das, was wir brauchen.
Anstatt mich also darauf zu konzentrieren, ob es eine Pleite oder einen „Quantenwinter“ geben wird, konzentriere ich mich darauf, diese Vordenker einzubeziehen, diese Innovatoren an einen Tisch zu bringen und Quanten zu demokratisieren, damit wir schnell Lösungen finden können. Wenn wir Fortschritte zeigen, wird es keinen Quantenwinter geben, und ich glaube, dass wir diesen Fortschritt in allen Bereichen machen können, von Geräten und Maschinen bis hin zu Software und Apps.
Haben Sie einen Termin für den „Q-Day“ im Kopf – also den Tag, an dem der erste praxistaugliche Computer online geht?
Quantencomputer sind bereits online. Sie befinden sich in Azure und Sie können darauf zugreifen. Aber die Geschwindigkeit, mit der wir skalieren und einen Quantenvorteil erreichen, hängt davon ab, dass sich alle engagieren und einspringen. Bei Microsoft arbeiten wir so schnell wir können, um die Maschine und die Plattform zu skalieren, aber wir sind auch auf Menschen angewiesen Entwicklung von Algorithmen, die weniger Qubits erfordern – vielleicht indem wir einsteigen und QIR verwenden, um einen besseren Kompilierungsstapel zu erstellen. Beim Fortschritt geht es darum, auf beiden Seiten etwas zu bewirken, die Maschine zu verbessern und die Kosten für Algorithmen zu senken. Das wird den Zeitplan verändern und den Tag beschleunigen, an dem wir praktische Quantenvorteile sehen werden.
