Κρίστα Σβόρ, αντιπρόεδρος της Microsoft Quantum, μιλά με την Tushna Commissariat για το ταξίδι της εταιρείας προς το κβαντικό πλεονέκτημα
Σε όλο τον κόσμο, μικρές και μεγάλες επιχειρήσεις αγωνίζονται για την ανάπτυξη και την κυκλοφορία τεχνολογιών υπολογιστών που βασίζονται στην κβαντική φυσική. Ενώ οι βασικές αρχές έχουν τεθεί σε ισχύ εδώ και μερικές δεκαετίες, ερευνητές, βιομηχανία και κυβερνήσεις εργάζονται όλοι για την κατασκευή και την κλιμάκωση πρακτικών κβαντικών υπολογιστών, με βασικό παίκτη την αμερικανική εταιρεία τεχνολογίας Microsoft.
Νωρίτερα φέτος, διακεκριμένος μηχανικός και επικεφαλής του Η ομάδα Quantum της Microsoft, Krysta Svore, παρέδωσε μια κεντρική ομιλία στο The Economist Commercializing Quantum του περιοδικού εκδήλωση στο Λονδίνο. Αργότερα πρόλαβε Κόσμος Φυσικής για να συζητήσουμε την πορεία της εταιρείας προς ένα κλιμακούμενο κβαντικό σύστημα – από τοπολογικά qubits έως Το Azure της Microsoft κβαντική πλατφόρμα υπολογιστικού νέφους και υβριδικές συνεργασίες, στην κβαντική αγορά στο σύνολό της.
Τι κάνει αυτή τη στιγμή η Microsoft στον κβαντικό κόσμο;
Ένα από τα ερωτήματα που εξετάζουμε είναι πώς να επιταχύνουμε το ταξίδι προς το κβαντικό πλεονέκτημα. Αυτό που εννοώ με τον όρο κβαντικό πλεονέκτημα είναι, καταρχάς, ότι θέλουμε να είμαστε σε θέση να λύνουμε προβλήματα που έχουν νόημα και θα βοηθήσουν να προχωρήσουμε την κοινωνία μας προς τα εμπρός. Έχω μια κόρη και θέλω να της αλλάξω το μέλλον – δεν θέλω να της αφήσω αυτές τις ηρακλειές προκλήσεις που σχετίζονται με τη βιωσιμότητα, την κλιματική αλλαγή, την ενέργεια και την εύρεση καλύτερων τρόπων χρήσης των πόρων στον πλανήτη μας.
Με τον κβαντικό υπολογισμό, υπάρχει ελπίδα ότι μπορούμε να αρχίσουμε να αντιμετωπίζουμε ορισμένα από αυτά τα προβλήματα, αλλά δεν θα μπορέσουμε να το κάνουμε με έναν κβαντικό υπολογιστή ως αυτόνομο μηχάνημα. Για να μάθετε πώς να βελτιώσετε τη δέσμευση του αζώτου ή να συλλάβετε διοξείδιο του άνθρακα και να το μετατρέψετε σε μεθανόλη, για παράδειγμα, χρειάζεστε πραγματικά μια υβριδική λύση, μια λύση που να ενσωματώνει τον κβαντικό υπολογισμό σε έναν κλασικό υπερυπολογιστή. Σε αυτό λοιπόν χτίζουμε Η Microsoft με το σύστημα cloud-computing Azure. Στόχος μας είναι να παράγουμε έναν υβριδικό, ετερογενή, με τεχνητή νοημοσύνη και κβαντική ενέργεια υπερυπολογιστή που θα προσφέρει λύσεις για τέτοιου είδους προβλήματα.
Σκεφτόμαστε επίσης την πλατφόρμα λογισμικού μας. Μελετάμε κβαντικούς αλγόριθμους εδώ και χρόνια, επομένως λάβαμε όσα μάθαμε σχετικά με τον τρόπο βελτιστοποίησης και μεταγλώττισης τους και φέραμε αυτή τη γνώση στην πλατφόρμα μας. Αυτήν τη στιγμή, με το Azure, μπορείτε να δοκιμάσετε μικρά προβλήματα σε ένα διαφορετικό σύνολο πραγματικού υλικού που παρέχεται από τους διάφορους συνεργάτες μας. Αλλά μπορείτε επίσης να γράψετε εφαρμογές, να αναπτύξετε τον κώδικά σας, να αποφασίσετε πόσο μεγάλος κβαντικός υπολογιστής θα χρειαστείτε και να επεξεργαστείτε πώς θα λειτουργεί παράλληλα με έναν κλασικό. Μπορείτε να εκτελέσετε αυτήν την ενοποίηση και να ξεκινήσετε τον εντοπισμό σφαλμάτων του κώδικα τώρα, επειδή αυτός ο κώδικας θα παραμείνει έγκυρος καθώς τα μηχανήματα κλιμακώνονται και ενσωματώνονται πλήρως στο cloud.
Ποιο είναι το όραμά σας για το πώς θα φτάσουμε σε μια κλίμακα όπου μπορούμε να κάνουμε κάτι ουσιαστικό με έναν κβαντικό υπολογιστή;
Η Microsoft σκέφτεται την κλίμακα από την αρχή. Έχουμε μελετήσει κβαντικούς αλγόριθμους. Έχουμε μελετήσει τη φυσική. έχουμε δουλέψει σε ολόκληρη την αρχιτεκτονική του συστήματος από το λογισμικό μέχρι το υλικό. Και αυτό που μάθαμε για την κλίμακα είναι ότι πρέπει να ζητάμε κάτι διαφορετικό από τα qubits και την κβαντική μας μηχανή.
Κατά τη διάρκεια δεκαετιών έρευνας, έχουμε εντοπίσει ότι μια επιτυχημένη μηχανή χρειάζεται τρία βασικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, πρέπει να έχει το σωστό μέγεθος. Το qubit πρέπει να είναι αρκετά μικρό ώστε να χωρέσετε ένα εκατομμύριο σε μια γκοφρέτα, έτσι ώστε το μηχάνημα να μην έχει το μέγεθος ενός ουρανοξύστη. Στη συνέχεια, πρέπει να είναι η σωστή ταχύτητα. Το μηχάνημα πρέπει να είναι αρκετά γρήγορο ώστε όταν εκτελείτε δισεκατομμύρια λειτουργίες, όλες να μπορούν να ολοκληρωθούν σε λίγες εβδομάδες, έτσι ώστε να μην περιμένουμε περισσότερο από ένα μήνα για την πλήρη λύση από άκρο σε άκρο που συνδυάζει κλασικό και κβαντικά στοιχεία. Τέλος, χρειαζόμαστε ένα qubit που να είναι αρκετά αξιόπιστο καθώς κλιμακώνουμε. ένα που δεν θα καταναλώσει τόσους πόρους επειδή εκμεταλλευόμαστε τις φυσικές, εγγενείς ιδιότητες qubit για τη διόρθωση σφαλμάτων. Αυτό είναι που θα μας επιτρέψει να εκτελέσουμε δισεκατομμύρια λειτουργίες.
Στη Microsoft, εντοπίσαμε και σχεδιάσαμε ένα qubit που πιστεύουμε ότι είναι σωστό σε όλους αυτούς τους τομείς: το τοπολογικό qubit. Και μέσα στους τελευταίους μήνες, μοιραστήκαμε κάποια πραγματικά συναρπαστική πρόοδο που έχουμε κάνει στη δημιουργία αυτού του qubit. Στην ουσία, κατασκευάσαμε συσκευές που επιδεικνύουν αυτήν την πολύ φευγαλέα φυσική που υποτίθεται εδώ και έναν αιώνα, σύμφωνα με την οποία τα λεγόμενα Οι μηδενικές λειτουργίες Majorana εμφανίζονται στο τέλος των συρμάτων νανοκλίμακας. Αυτό είναι μια υπογραφή του τύπου της φυσικής που χρειαζόμαστε για να επιδείξουμε ένα τοπολογικό qubit, επομένως είναι ένα πολύ σημαντικό ορόσημο τόσο για την επιστήμη όσο και για την οικοδόμηση των θεμελίων που πρέπει να πούμε, "Εντάξει, θα φτάσουμε το ένα εκατομμύριο qubits".
Πείτε μου περισσότερα για αυτό το τοπολογικό qubit. Πώς είναι όταν πρόκειται για στιβαρότητα; Χρειάζεται να είναι σε κρυογονικές θερμοκρασίες;
Ναι, λειτουργεί σε κρυογονικές θερμοκρασίες, επομένως από αυτή την άποψη μοιάζει πολύ με κάποια άλλα qubits στη βιομηχανία, όπως τα υπεραγώγιμα qubits. Βρίσκεται σε ψυγείο αραίωσης και 100 mK είναι περίπου το εύρος θερμοκρασίας. Όσον αφορά την ευρωστία, αυτό είναι κάτι που θα εργαστούμε για την επόμενη επίδειξή μας. Αυτό που δείξαμε μέχρι τώρα είναι η υποκείμενη θεμελιώδης φυσική και οι ιδιότητες των μηδενικών τρόπων Majorana, αλλά τώρα πρέπει να δημιουργήσουμε ένα qubit από αυτό. Με αυτό εννοώ κάτι με το οποίο μπορείτε να εκτελέσετε λειτουργίες. κάτι που μπορείτε να ελέγξετε και να διαβάσετε. Μόλις το κάνουμε αυτό, τότε θα μπορούμε να το μετρήσουμε και να πούμε, «Εντάξει, ορίστε η διάρκεια ζωής του. Να πόσο συνεκτικό είναι».
Αλλά αυτό που είναι υπέροχο με το τοπολογικό qubit - και ο λόγος που επενδύουμε τόσο πολύ σε αυτό - είναι ότι διαθέτει αυτήν την προστασία φυσικών σφαλμάτων που πιστεύουμε ότι θα το βοηθήσει να κλιμακωθεί. Αυτή η ιδιότητα πηγάζει από το γεγονός ότι οι πληροφορίες που κωδικοποιεί το qubit είναι, κατά μία έννοια, χωρισμένες σε τέσσερις μηδενικές λειτουργίες Majorana, μία σε κάθε άκρο δύο νανοσυρμάτων. Εάν η φύση προσπαθήσει να διαταράξει μόνο μία από αυτές τις μηδενικές λειτουργίες Majorana, δεν θα βλάψει πραγματικά την κβαντική κατάσταση. Αντίθετα, με ένα υπεραγώγιμο qubit, η κβαντική κατάσταση διατηρείται σε ένα μόνο σημείο, οπότε αν λάβετε θόρυβο σε αυτό το σημείο, η κατάσταση αποσυντίθεται. Σε αντίθεση με αυτό, έχουμε έναν βαθμό διόρθωσης σφαλμάτων ή ανοχής σφαλμάτων που είναι ενσωματωμένος στο τοπολογικό μας qubit.
Σε ποιο σημείο θα μπορέσετε να εκτελέσετε ένα πρόβλημα, για παράδειγμα, στα τοπολογικά qubit της Microsoft και στη συνέχεια να επαναλάβετε το πείραμα χρησιμοποιώντας διαφορετικό τύπο qubit και να βεβαιωθείτε ότι λαμβάνουμε την ίδια έξοδο;
Μου αρέσει που κατευθύνεστε με αυτό και είμαι στην ευχάριστη θέση να σας πω ότι μπορούμε να το κάνουμε αυτό σήμερα. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι μέρος της ομορφιάς του Azure Quantum – προσφέρει στους ανθρώπους την ευκαιρία να εκτελέσουν τον ίδιο κώδικα σε πολλούς κβαντικούς υπολογιστές, μέσω της υπηρεσίας cloud που διαθέτουμε. Μπορείτε να γράψετε ένα ενιαίο κομμάτι κώδικα – ίσως είναι μια μικρή περίπτωση του αλγόριθμου του Azure, ίσως είναι το κβαντικό ισοδύναμο του “hello world” – και να το εκτελέσετε σε υλικό που έχει αναπτυχθεί από εταιρείες όπως π.χ. Κβαντίνο και IonQ. Και οι δύο είναι πλατφόρμες παγίδας ιόντων, αλλά συνεργαζόμαστε επίσης Quantum Circuits Inc. (QCI), η οποία χρησιμοποιεί μια υπεραγώγιμη πλατφόρμα qubit, και έχουμε μια υπεραγώγιμη πλατφόρμα qubit βασισμένη σε ημιαγωγούς πυριτίου από Rigetti Computing και μια πλατφόρμα κβαντικού επεξεργαστή ουδέτερου ατόμου από Pascal, και τα δύο θα είναι σύντομα διαθέσιμα στο διαδίκτυο.
Πρόκειται λοιπόν για πέντε διαφορετικές πλατφόρμες κβαντικού υλικού που είναι διαθέσιμες μέσω του Azure, και αυτό που είναι πραγματικά προσεγμένο είναι η ευελιξία που έχετε με τον κώδικα. Μπορείτε να γράψετε τον κβαντικό σας αλγόριθμο Q#, η οποία είναι μια γλώσσα υψηλού επιπέδου για την ανάπτυξη αλγορίθμων. Αυτή θα ήταν η επιλογή μου, αλλά μπορείτε επίσης να έρθετε με τους δικούς σας κωδικούς. Για παράδειγμα, εάν είχατε προηγουμένως εκτελέσει το πρόβλημά σας σε μία από τις συσκευές της IBM και το έχετε Qiskit κώδικας που έχει ήδη γραφτεί, τότε μπορείτε απλά να εκτελέσετε αυτόν τον κώδικα και στο σύστημά μας. Μπορείτε να επιλέξετε οποιαδήποτε από τις πέντε πλατφόρμες υλικού και θα μεταγλωττίσει τον κώδικα για εσάς σε όποιο «πίσω τέλος» επιλέξετε.
Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να εκτελέσετε την ίδια εφαρμογή σε όλες αυτές τις συσκευές back-end και να δείτε πώς συμπεριφέρεται. Διότι φυσικά, αυτές οι συσκευές έχουν διαφορετικές αρχιτεκτονικές, διαφορετική συνδεσιμότητα και ακόμη και διαφορετικές ταχύτητες λειτουργίας και πιστότητα. Μέσω του Azure, μπορείτε να μάθετε τα πάντα για αυτές τις διαφορές και ομοιότητες.
Σκοπεύετε να φέρετε επιπλέον πλατφόρμες υλικού;
Ναι, πιστεύουμε πραγματικά στον εκδημοκρατισμό των κβαντικών υπολογιστών, φέρνοντας την κοινότητα στην ανάπτυξη του οικοσυστήματος. Πολλά από τα εργαλεία κώδικα και πλατφόρμας μας είναι ανοιχτού κώδικα και, όπως και πολλοί πάροχοι υλικού, έχουμε μια ολόκληρη ποικιλία προσομοιωτών που προέρχονται από τους συνεργάτες μας. Αυτά είναι προγράμματα που σας βοηθούν να μάθετε πώς θα εκτελείται ο κώδικάς σας σε μια δεδομένη πλατφόρμα υλικού, προτού τον εκτελέσετε. Έχουμε επίσης τους λεγόμενους εκτιμητές πόρων, τους οποίους μπορείτε να χρησιμοποιήσετε εάν θέλετε να μάθετε πόσο θα σας κοστίσει η εκτέλεση ενός αλγόριθμου μόλις αυξηθούν οι μηχανές ή πόσο μεγάλο μηχάνημα θα χρειαστείτε.
Μια περαιτέρω συναρπαστική εξέλιξη είναι κάτι που ονομάζουμε Κβαντική ενδιάμεση αναπαράσταση (QIR), που σας επιτρέπει να χρησιμοποιείτε οποιαδήποτε γλώσσα υψηλού επιπέδου (επιλέξτε την αγαπημένη σας), να την αντιστοιχίσετε σε QIR και να τη στείλετε σε οποιονδήποτε αριθμό παρόχων υποστήριξης. Το βλέπουμε αυτό ως ένα σημαντικό επίπεδο στην παγκόσμια στοίβα λογισμικού, καθώς είναι κάτι που διευκολύνει τη μετάφραση ή την αντιστοίχιση σε διαφορετικό υλικό.
Μπορείτε να σκεφτείτε το QIR ως μια καθολική γλώσσα μεσαίου επιπέδου που επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ γλωσσών υψηλού επιπέδου και μηχανών. Πολλοί οργανισμοί το έχουν ήδη υιοθετήσει. Αναπτύχθηκε ως μέρος μιας συμμαχίας μέσω του Joint Development Foundation του Linux Foundation. Στην πραγματικότητα, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia και Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge έχουν ανακοινώσει όλοι ότι πρόκειται να δημιουργήσουν τους μεταγλωττιστές τους μέσω του QIR.
Και είναι όλα μέρος αυτού που λέγεται LLVM, το οποίο είναι ένα πολύ δημοφιλές πλαίσιο κλασικού μεταγλωττιστή, επομένως σας επιτρέπει να αξιοποιήσετε εργαλεία μεταγλώττισης και βελτιστοποίησης από την κλασική βιομηχανία υπολογιστών. Αυτό μειώνει πραγματικά το κόστος συγγραφής μεταφράσεων. Διαφορετικά, θα έπρεπε να γράψετε νέο κώδικα για κάθε γλώσσα σε κάθε πίσω άκρο, κάτι που θα ήταν πολύ ακριβό.
Η κβαντική αγορά βρίσκεται σε ένα ενδιαφέρον στάδιο αυτή τη στιγμή. Φαίνεται ότι κάθε εβδομάδα ξεκινούν νέες κβαντικές εταιρείες, αλλά αυτή η τεράστια φάση έκρηξης λαμβάνει χώρα πριν η τεχνολογία εδραιωθεί πραγματικά. Ανησυχείτε ότι θα γίνει προτομή;
Πιστεύω ότι χρειαζόμαστε πολλά, πολλά μυαλά στο τραπέζι για να προωθήσουμε αυτήν την τεχνολογία και να επιταχύνουμε την πρόοδό μας. Παραδοσιακά, με αυτό το είδος τεχνολογίας, η πρόοδος θα μετράται σε δεκαετίες. Απλώς σκεφτείτε τον χρόνο που χρειάστηκε για να περάσει από την εφεύρεση του τρανζίστορ στην κατοχή κινητών τηλεφώνων και iPhone. Δεν το θέλουμε αυτό με τους κβαντικούς υπολογιστές. Θέλουμε να το επιταχύνουμε.
Πιστεύω ότι χρειαζόμαστε πολλά, πολλά μυαλά στο τραπέζι για να προωθήσουμε αυτήν την τεχνολογία και να επιταχύνουμε την πρόοδό μας
Τα καλά νέα είναι ότι έχουμε τεράστια πλεονεκτήματα – έχουμε ήδη λογισμικό και κλασικούς υπολογιστές. Οι προκάτοχοί μας δεν είχαν τη δυνατότητα να μοντελοποιήσουν αυτό που έκαναν όταν μετακινούνταν από σωλήνες κενού σε τρανζίστορ σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Δεν είχαν κλασικούς υπολογιστές για να τους βοηθήσουν, ενώ εμείς τους έχουμε στα χέρια μας. Όταν βλέπω το οικοσύστημα να αναπτύσσεται –περισσότερες εταιρείες, περισσότερες νεοφυείς επιχειρήσεις, περισσότερα προγράμματα πανεπιστημιακών πτυχίων– το θεωρώ ακριβώς αυτό που χρειαζόμαστε.
Έτσι, αντί να επικεντρώνομαι στο αν θα υπάρξει μια αποτυχία ή ένας «κβαντικός χειμώνας», επικεντρώνομαι στην εμπλοκή αυτών των ηγετών της σκέψης, στο να φέρω αυτούς τους καινοτόμους στο τραπέζι και στον εκδημοκρατισμό του κβαντικού, ώστε να μπορέσουμε να βρούμε λύσεις γρήγορα. Εάν δείξουμε πρόοδο, δεν θα υπάρξει κβαντικός χειμώνας και πιστεύω ότι μπορούμε να κάνουμε αυτήν την πρόοδο σε όλους τους τομείς, από συσκευές και μηχανήματα μέχρι λογισμικό και εφαρμογές.
Έχετε στο μυαλό σας μια ημερομηνία για την "Q-day" – δηλαδή την ημέρα που ο πρώτος πρακτικός υπολογιστής έρχεται στο διαδίκτυο;
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ήδη συνδεδεμένοι. Βρίσκονται στο Azure και μπορείτε να έχετε πρόσβαση. Όμως, ο ρυθμός με τον οποίο κλιμακώνουμε και φτάνουμε σε κβαντικό πλεονέκτημα εξαρτάται από τη συμμετοχή και τη μετάβαση όλων. Στη Microsoft, τρέχουμε όσο πιο γρήγορα μπορούμε για να κλιμακώσουμε το μηχάνημα και να κλιμακώσουμε την πλατφόρμα, αλλά εξαρτόμαστε επίσης από τους ανθρώπους ανάπτυξη αλγορίθμων που απαιτούν λιγότερα qubits – ίσως πηδώντας και χρησιμοποιώντας το QIR για να δημιουργήσετε μια καλύτερη στοίβα μεταγλώττισης. Η πρόοδος αφορά τη διαφορά και από τα δύο άκρα, τη βελτίωση του μηχανήματος καθώς και τη μείωση του κόστους των αλγορίθμων. Αυτό είναι που θα αλλάξει το χρονοδιάγραμμα και θα επισπεύσει την ημέρα που θα δούμε πρακτικό κβαντικό πλεονέκτημα.
