krysta svore, vicepresidente de Microsoft Quantum, habla con el Comisariado de Tushna sobre el viaje de la empresa hacia la ventaja cuántica
En todo el mundo, empresas grandes y pequeñas compiten por desarrollar y lanzar tecnologías informáticas basadas en la física cuántica. Si bien los principios básicos existen desde hace algunas décadas, los investigadores, la industria y los gobiernos están trabajando para construir y ampliar computadoras cuánticas prácticas, con la empresa tecnológica estadounidense Microsoft como actor clave.
A principios de este año, el distinguido ingeniero y jefe de El equipo Quantum de Microsoft, Krysta Svore, pronunció un discurso de apertura en The Economist Comercializando Quantum de la revista evento en Londres. Más tarde se encontró con Mundo de la física para discutir el camino de la empresa hacia un sistema cuántico escalable, desde qubits topológicos hasta Azure de Microsoft plataforma de computación cuántica en la nube y asociaciones híbridas, al mercado cuántico en su conjunto.
¿Qué está haciendo Microsoft en el mundo cuántico ahora mismo?
Una de las cuestiones que estamos considerando es cómo acelerar el viaje hacia la ventaja cuántica. Lo que quiero decir con ventaja cuántica es, en primer lugar, que queremos ser capaces de resolver problemas que sean significativos y que ayuden a hacer avanzar nuestra sociedad. Tengo una hija y quiero cambiar el futuro para ella; no quiero dejarle estos desafíos hercúleos relacionados con la sostenibilidad, el cambio climático, la energía y la búsqueda de mejores formas de utilizar los recursos de nuestro planeta.
Con la computación cuántica, hay esperanzas de que podamos comenzar a abordar algunos de estos problemas, pero no podremos hacerlo con una computadora cuántica como máquina independiente. Para descubrir cómo mejorar la fijación de nitrógeno o capturar dióxido de carbono y convertirlo en metanol, por ejemplo, realmente se necesita una solución híbrida, una que integre la computación cuántica en una supercomputadora clásica. Así que eso es en lo que estamos construyendo Microsoft con nuestro sistema Azure de computación en la nube. Nuestro objetivo es producir una supercomputadora híbrida, heterogénea, impulsada por IA y cuántica que presente soluciones para este tipo de problemas.
También estamos pensando en nuestra plataforma de software. Hemos estado estudiando algoritmos cuánticos durante años, por lo que tomamos lo que aprendimos sobre cómo optimizarlos y compilarlos, y llevamos ese conocimiento a nuestra plataforma. En este momento, con Azure, puede probar pequeños problemas en un conjunto diverso de hardware real proporcionado por nuestros distintos socios. Pero también puedes escribir aplicaciones, desarrollar tu código, decidir qué tamaño de computadora cuántica necesitarás y determinar cómo funcionará junto con una clásica. Puede realizar esa integración y comenzar a depurar el código ahora, porque ese código seguirá siendo válido a medida que las máquinas crezcan y se integren completamente con la nube.
¿Cuál es su visión sobre cómo llegar a una escala en la que podamos hacer algo significativo con una computadora cuántica?
Microsoft ha estado pensando en la escala desde el principio. Hemos estudiado algoritmos cuánticos; hemos estudiado la física; Hemos trabajado en toda la arquitectura del sistema, desde el software hasta el hardware. Y lo que hemos aprendido sobre la escala es que debemos preguntar algo diferente a nuestros qubits y a nuestra máquina cuántica.
Tras décadas de investigación, hemos identificado que una máquina exitosa necesita tres características clave. En primer lugar, debe tener el tamaño adecuado. El qubit debe ser lo suficientemente pequeño como para que quepa un millón en una oblea, de modo que la máquina no termine teniendo el tamaño de un rascacielos. A continuación, debe tener la velocidad adecuada. La máquina debe ser lo suficientemente rápida como para que cuando se ejecutan miles de millones de operaciones, todas puedan completarse en cuestión de semanas, de modo que no tengamos que esperar más de un mes para obtener la solución completa de extremo a extremo que combina lo clásico y elementos cuánticos. Finalmente, necesitamos un qubit que sea lo suficientemente confiable a medida que ampliamos; uno que no consumirá tantos recursos porque estamos aprovechando las propiedades naturales e intrínsecas del qubit para corregir errores. Eso es lo que nos permitirá realizar miles de millones de operaciones.
En Microsoft, hemos identificado y diseñado un qubit que creemos que es perfecto en todos esos aspectos: el qubit topológico. Y en los últimos meses, hemos compartido algunos avances realmente interesantes que hemos logrado hacia la creación de este qubit. En esencia, hemos diseñado dispositivos que demuestran esta física tan esquiva sobre la que se ha planteado la hipótesis durante un siglo, mediante la cual los llamados Los modos cero de Majorana surgen al final de cables a nanoescala. Esta es una firma del tipo de física que necesitamos para demostrar un qubit topológico, por lo que es un hito muy importante tanto para la ciencia como para construir las bases que necesitamos para decir: "Está bien, alcanzaremos un millón de qubits".
Cuéntame más sobre este qubit topológico. ¿Cómo es cuando se trata de robustez? ¿Es necesario que esté a temperaturas criogénicas?
Sí, funciona a temperaturas criogénicas, por lo que en ese sentido es muy parecido a otros qubits de la industria, como los qubits superconductores. Está en un refrigerador de dilución y 100 mK es aproximadamente el rango de temperatura. En términos de robustez, esto es algo en lo que trabajaremos para nuestra próxima demostración. Lo que hemos mostrado hasta ahora es la física fundamental subyacente y las propiedades de los modos cero de Majorana, pero ahora necesitamos crear un qubit a partir de eso.. Con esto me refiero a algo con lo que puedas realizar operaciones; algo que puedas controlar y leer. Una vez que hagamos eso, podremos medirlo y decir: “Está bien, aquí está su vida útil. He aquí lo coherente que es”.
Pero lo maravilloso del qubit topológico (y la razón por la que estamos tan interesados en él) es que tiene esta protección natural contra errores que creemos que lo ayudará a escalar. Esta propiedad surge del hecho de que la información que codifica el qubit está, en cierto sentido, dividida en cuatro modos cero de Majorana, uno en cada extremo de dos nanocables. Si la naturaleza intenta perturbar sólo uno de esos modos cero de Majorana, en realidad no dañará el estado cuántico. Por el contrario, con un qubit superconductor, el estado cuántico se mantiene en un solo punto, por lo que si hay ruido en ese punto, el estado se desacopla. A diferencia de eso, tenemos un grado de corrección de errores o tolerancia a fallas integrado en nuestro qubit topológico.
¿En qué momento podrá ejecutar un problema en, digamos, los qubits topológicos de Microsoft y luego repetir el experimento usando un tipo diferente de qubit y asegurarse de obtener el mismo resultado?
Me encanta hacia dónde te diriges con esto y me alegra poder decirte que podemos hacerlo hoy. De hecho, eso es parte de la belleza de Azure Quantum: ofrece a las personas la posibilidad de ejecutar el mismo código en varias computadoras cuánticas, a través del servicio en la nube que tenemos. Puede escribir una sola pieza de código (tal vez sea una pequeña instancia del algoritmo de Azure, tal vez sea el equivalente cuántico de "hola mundo") y ejecutarlo en hardware desarrollado por empresas como cuántico y IonQ. Ambas son plataformas de trampa de iones, pero también nos estamos asociando con Circuitos cuánticos Inc. (QCI), que utiliza una plataforma qubit superconductora, y tenemos una plataforma qubit superconductora basada en semiconductores de silicio de Rigetti Computing y una plataforma de procesador cuántico de átomo neutro de Pascal, los cuales estarán disponibles pronto.
Son cinco plataformas diferentes de hardware cuántico disponibles a través de Azure, y lo realmente interesante es la flexibilidad que se tiene con el código. Puedes escribir tu algoritmo cuántico en Q#, que es un lenguaje de alto nivel para el desarrollo de algoritmos.. Esa sería mi elección, pero también puedes entrar con tus propios códigos. Por ejemplo, si anteriormente ejecutó su problema en uno de los dispositivos de IBM y tiene su Kisquito código ya escrito, entonces simplemente puede ejecutar ese código también en nuestro sistema. Puede seleccionar cualquiera de las cinco plataformas de hardware y compilará el código por usted en el "back-end" que elija.
Eso significa que puede ejecutar la misma aplicación en todos esos dispositivos back-end y ver cómo se comporta. Porque claro, estos dispositivos tienen diferentes arquitecturas, diferente conectividad e incluso diferentes velocidades de operación y fidelidades. A través de Azure, puede aprender todo sobre esas diferencias y similitudes.
¿Está planeando incorporar plataformas de hardware adicionales?
Sí, realmente creemos en democratizar la computación cuántica incorporando a la comunidad para hacer crecer el ecosistema. Gran parte de nuestro código y herramientas de plataforma son de código abierto y, además de múltiples proveedores de hardware, tenemos una gran variedad de simuladores provenientes de nuestros socios. Estos son programas que le ayudan a determinar cómo se ejecutará su código en una plataforma de hardware determinada, antes de ejecutarlo. También tenemos lo que se llama estimadores de recursos, que puede usar si desea saber cuánto le costará ejecutar un algoritmo una vez que las máquinas crezcan, o qué tamaño de máquina necesitará.
Otro desarrollo interesante es algo que llamamos Representación Intermedia Cuántica (QIR), que le permite tomar cualquier idioma de alto nivel (elija su favorito), asignarlo a QIR y enviarlo a cualquier cantidad de proveedores de servicios de fondo. Vemos esto como una capa importante en la pila de software global, ya que es algo que facilita la traducción o el mapeo en diferentes hardware.
Puede pensar en QIR como un lenguaje universal de capa intermedia que permite la comunicación entre lenguajes de alto nivel y máquinas. Muchas organizaciones ya lo han adoptado. Ha sido desarrollado como parte de una alianza a través de la Fundación de Desarrollo Conjunto de la Fundación Linux. De hecho, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia y Laboratorio Nacional Oak Ridge Todos han anunciado que construirán sus compiladores a través de QIR.
Y todo es parte de lo que se llama LLVM, que es un marco de compilación clásico muy popular, por lo que le permite aprovechar las herramientas de compilación y optimización de la industria informática clásica. Eso realmente reduce el costo de escribir traducciones. De lo contrario, tendría que escribir código nuevo para cada idioma en cada back-end, lo que sería muy costoso.
El mercado cuántico se encuentra en una etapa interesante en este momento. Parece que cada semana se lanzan nuevas empresas cuánticas, pero esta fase de auge masivo tiene lugar antes de que la tecnología realmente se haya establecido. ¿Le preocupa que haya una quiebra?
Creo que necesitamos muchas, muchas mentes en la mesa para hacer avanzar esta tecnología y acelerar nuestro progreso. Tradicionalmente, con este tipo de tecnología los avances se medirían en décadas. Basta pensar en el tiempo que llevó pasar de la invención del transistor a tener teléfonos móviles y iPhones. No queremos eso con la computación cuántica. Queremos acelerarlo.
Creo que necesitamos muchas, muchas mentes en la mesa para avanzar en esta tecnología y acelerar nuestro progreso.
La buena noticia es que tenemos enormes ventajas: ya tenemos software y ordenadores clásicos. Nuestros predecesores no tenían la capacidad de modelar lo que hacían cuando pasaban de los tubos de vacío a los transistores y a los circuitos integrados. No tenían ordenadores clásicos para ayudarles, mientras que nosotros los tenemos al alcance de la mano. Cuando veo crecer el ecosistema (más empresas, más empresas emergentes, más programas universitarios), lo veo exactamente como lo que necesitamos.
Entonces, en lugar de centrarme en si habrá una crisis o un “invierno cuántico”, me concentro en involucrar a esos líderes de opinión, traer a esos innovadores a la mesa y democratizar la cuántica para que podamos encontrar soluciones rápidamente. Si mostramos avances, no habrá un invierno cuántico, y creo que podemos lograr ese progreso en todas las áreas, desde dispositivos y máquinas hasta software y aplicaciones.
¿Tiene una fecha en mente para el “día Q”, es decir, el día en que se conecte la primera computadora práctica?
Las computadoras cuánticas ya están en línea. Están en Azure y puedes acceder a ellos. Pero el ritmo al que escalamos y alcanzamos la ventaja cuántica depende de que todos participen y se unan. En Microsoft, estamos corriendo lo más rápido que podemos para escalar la máquina y escalar la plataforma, pero también dependemos de las personas. desarrollar algoritmos que requieran menos qubits, tal vez saltando y usando QIR para crear una mejor pila de compilación. El progreso consiste en marcar la diferencia desde ambos extremos, mejorar la máquina y reducir el costo de los algoritmos. Eso es lo que cambiará la línea de tiempo y acelerará el día en que veremos una ventaja cuántica práctica.
