Kvantökosüsteemi demokratiseerimine: Microsofti Krysta Svore on teel skaleeritava kvantarvuti poole

Kogu maailmas võistlevad nii väikesed kui ka suured ettevõtted, et arendada ja käivitada kvantfüüsikal põhinevaid arvutustehnoloogiaid. Kuigi põhiprintsiibid on kehtinud juba paar aastakümmet, töötavad teadlased, tööstus ja valitsused praktiliste kvantarvutite ehitamise ja suurendamise nimel, kusjuures võtmerolliks on USA tehnoloogiafirma Microsoft. 

Selle aasta alguses austatud insener ja juht Microsofti Quantumi meeskond Krysta Svore, pidas peaettekande kl The Economist ajakirja Commercializing Quantum üritus Londonis. Hiljem jõudis ta järele Füüsika maailm arutada ettevõtte teed skaleeritava kvantsüsteemi poole – topoloogilistest kubitidest kuni Microsofti Azure kvantpilvandmetöötluse platvormi ja hübriidpartnerlusi, kvantturule tervikuna. 

Mida teeb Microsoft praegu kvantmaailmas?

Üks küsimusi, mida me kaalume, on see, kuidas kiirendada teekonda kvanteelise poole. Kvantieelise all pean silmas eelkõige seda, et me tahame lahendada probleeme, mis on sisukad ja aitavad meie ühiskonda edasi viia. Mul on tütar ja ma tahan tema tulevikku muuta – ma ei taha jätta talle Heraklese väljakutseid, mis on seotud jätkusuutlikkuse, kliimamuutuste, energia ja meie planeedi ressursside paremate kasutusviiside leidmisega. 

Kvantarvutiga on lootust, et saame hakata mõnda neist probleemidest lahendama, kuid me ei saa seda teha kvantarvuti kui eraldiseisva masinaga. Näiteks selleks, et välja selgitada, kuidas parandada lämmastiku sidumist või koguda süsinikdioksiidi ja muuta see metanooliks, on teil tõesti vaja hübriidlahendust, mis ühendab kvantarvuti klassikalise superarvutiga. Nii et sellele me ehitame Microsoft meie pilvandmetöötluse Azure'i süsteemiga. Meie eesmärk on toota hübriidset, heterogeenset tehisintellektil töötavat kvanttoitega superarvutit, mis pakub seda tüüpi probleemidele lahendusi. 

Mõtleme ka oma tarkvaraplatvormile. Oleme kvantalgoritme aastaid uurinud, seega oleme nende optimeerimise ja kompileerimise kohta õppinud ning toonud need teadmised oma platvormile. Praegu saate Azure'i abil proovida väikseid probleeme mitmesugusel reaalsel riistvarakomplektil, mida meie erinevad partnerid tarnivad. Kuid saate ka kirjutada rakendusi, arendada oma koodi, otsustada, kui suurt kvantarvutit vajate, ja välja mõelda, kuidas see klassikalise arvuti kõrval töötab. Saate seda integreerida ja alustada koodi silumist kohe, sest see kood jääb kehtima, kui masinad suurenevad ja integreeritakse täielikult pilvega.

Milline on teie nägemus sellest, kuidas jõuame skaalani, kus saame kvantarvutiga midagi tähenduslikku ära teha?

Microsoft on algusest peale mõelnud mastaabile. Oleme uurinud kvantalgoritme; oleme õppinud füüsikat; oleme töötanud kogu süsteemi arhitektuuri kallal tarkvarast riistvarani. Ja see, mida me mastaabi kohta õppisime, on see, et peame küsima oma kubittide ja kvantmasina kohta midagi muud. 

Aastakümnete pikkuse uurimistöö jooksul oleme tuvastanud, et edukas masin vajab kolme põhiomadust. Esiteks peab see olema õige suurusega. Kubit peab olema piisavalt väike, et mahutaks vahvlile miljon, et masin ei oleks lõpuks pilvelõhkuja suurune. Järgmiseks peab see olema õige kiirus. Masin peab olema piisavalt kiire, et miljardeid toiminguid tehes saaksid need kõik lõpule viia mõne nädalaga, nii et me ei oota rohkem kui kuu aega täielikku lahendust, mis ühendab klassikalise ja kvantelemendid. Lõpuks vajame kubiti, mis on suurendamisel piisavalt usaldusväärne; selline, mis ei tarbi nii palju ressursse, kuna kasutame vigade parandamiseks ära loomulikud, sisemised kubiti omadused. See võimaldab meil läbi viia miljardeid operatsioone. 

Microsoftis oleme tuvastanud ja kujundanud qubiti, mis meie arvates on kõigis nendes küsimustes õige: topoloogiline kubit. Ja viimaste kuude jooksul oleme jaganud mõnda tõeliselt põnevat edu, mida oleme selle kubiti loomisel teinud. Sisuliselt oleme loonud seadmed, mis demonstreerivad seda väga tabamatut füüsikat, mille kohta on juba sajand oletatud hüpoteesi, mille abil nn. Majorana nullrežiimid tekivad nanomõõtmeliste juhtmete lõpus. See on selle füüsika tüübi tunnus, mida me vajame topoloogilise kubiidi demonstreerimiseks, nii et see on väga oluline verstapost nii teaduse kui ka vundamendi ehitamise jaoks, mille kohta peame ütlema: "Olgu, me jõuame miljoni kubitini." 

Rääkige mulle selle topoloogilise qubiti kohta rohkem. Mis tunne on, kui rääkida robustsusest? Kas see peab olema krüogeensel temperatuuril?

Jah, see töötab krüogeensetel temperatuuridel, nii et selles osas on see väga sarnane mõne muu kubitiga tööstuses, näiteks ülijuhtivate kubitidega. See on lahjenduskülmikus ja 100 mK on ligikaudu temperatuurivahemik. Tugevuse osas töötame selle kallal järgmisel demonstratsioonil. Siiani oleme näidanud põhifüüsikat ja Majorana nullrežiimide omadusi, kuid nüüd peame sellest looma kubiidi.. Selle all pean silmas midagi, millega saate toiminguid teha; midagi, mida saate kontrollida ja ette lugeda. Kui oleme seda teinud, saame seda mõõta ja öelda: „Olgu, siin on selle eluiga. Siin on, kui ühtne see on. 

Kuid topoloogilises kubiidis on imeline – ja põhjus, miks me sellesse nii palju investeerime – on see, et sellel on loomulik veakaitse, mis meie arvates aitab seda skaleerida. See omadus tuleneb asjaolust, et qubiti kodeeritud teave on teatud mõttes jagatud nelja Majorana nullrežiimi vahel, üks kahe nanojuhtme mõlemas otsas. Kui loodus püüab häirida ainult ühte neist Majorana nullrežiimidest, ei kahjusta see tegelikult kvantseisundit. Seevastu ülijuhtiva kubiti puhul hoitakse kvantolekut ühes punktis, nii et kui selles punktis tekib müra, siis olek dekohereerub. Erinevalt sellest on meil teatud veaparandus- või tõrketaluvus, mis on meie topoloogilises qubitis sisse ehitatud.

Millisel hetkel on teil võimalik käivitada probleem näiteks Microsofti topoloogilistel kubitidel ja seejärel korrata katset teist tüüpi kubiidiga, et tagada sama väljund? 

Mulle meeldib, kuhu te sellega teel olete, ja mul on hea meel teile öelda, et saame seda juba täna teha. Tegelikult on see osa Azure Quantumi ilust – see pakub inimestele võimalust käitada sama koodi mitmes kvantarvutis meie pilveteenuse kaudu. Saate kirjutada ühe koodilõigu – võib-olla on see Azure'i algoritmi väike eksemplar, võib-olla on see „tere maailm” kvantekvivalent – ​​ja käivitada seda riistvaras, mille on välja töötanud sellised ettevõtted nagu Kvantiinum ja IonQ. Need on mõlemad ioonilõksu platvormid, kuid me teeme ka koostööd Quantum Circuits Inc. (QCI), mis kasutab ülijuhtiva kubiti platvormi ja meil on räni pooljuhtidel põhinev ülijuhtiv kubiti platvorm alates Rigetti arvuti ja neutraalse aatomiga kvantprotsessori platvorm lihavõtted, mis mõlemad jõuavad peagi veebi.

See on viis erinevat kvantriistvaraplatvormi, mis on Azure'i kaudu saadaval, ja mis on tõeliselt puhas, on koodi paindlikkus. Saate oma kvantalgoritmi sisse kirjutada Q#, mis on algoritmide arendamise kõrgetasemeline keel. See oleks minu valik, aga sisse võib tulla ka oma koodidega. Näiteks kui olete varem oma probleemi mõnes IBMi seadmes kasutanud ja teil on nende Qiskit Kui kood on juba kirjutatud, saate selle koodi ka meie süsteemis lihtsalt käivitada. Saate valida ühe viiest riistvaraplatvormist ja see koostab teie jaoks koodi teie valitud "tagaotsa".

See tähendab, et saate käitada sama rakendust kõigis nendes taustaseadmetes ja vaadata, kuidas see käitub. Sest loomulikult on neil seadmetel erinev arhitektuur, erinev ühenduvus ja isegi erinev töökiirus ja täpsus. Azure'i kaudu saate nende erinevuste ja sarnasuste kohta kõike teada.

Kas kavatsete tuua täiendavaid riistvaraplatvorme?

Jah, me tõesti usume kvantarvutite demokratiseerimisse, kaasates kogukonna ökosüsteemi kasvatama. Suur osa meie koodi- ja platvormitööriistadest on avatud lähtekoodiga ning lisaks mitmele riistvara pakkujale on meil ka palju erinevaid simulaatoreid, mis pärinevad meie partneritelt. Need on programmid, mis aitavad teil enne selle käivitamist välja selgitada, kuidas teie kood teatud riistvaraplatvormil töötab. Meil on ka nn ressursside hindajad, mida saate kasutada, kui soovite teada, kui palju algoritmi käivitamine pärast masinate mastaabi suurenemist teile maksma läheb või kui suurt masinat vajate. 

Edasine põnev areng on midagi, mida me nimetame Quantum Intermediate Representation (QIR), mis võimaldab teil valida mis tahes kõrgetasemelise keele (valida oma lemmik), kaardistada see QIR-iga ja saata see suvalisele arvule taustateenuse pakkujatele. Näeme seda globaalses tarkvaravirnas olulise kihina, kuna see hõlbustab tõlkimist või erinevale riistvarale kaardistamist.

QIR-i võib pidada universaalseks keskmise kihi keeleks, mis võimaldab suhelda kõrgetasemeliste keelte ja masinate vahel. Paljud organisatsioonid on selle juba kasutusele võtnud. See on välja töötatud osana liidu kaudu Linuxi fondi ühine arendusfond. Tegelikult QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia ja Oak Ridge'i riiklik labor on kõik teatanud, et hakkavad koostama oma kompilaatoreid QIR-i kaudu.

Ja see kõik on osa sellest, mida nimetatakse LLVM, mis on väga populaarne klassikaline kompilaatori raamistik, nii et see võimaldab teil kasutada klassikalise arvutitööstuse kompileerimis- ja optimeerimistööriistu. See vähendab tõesti tõlgete kirjutamise kulusid. Vastasel juhul peaksite iga keele jaoks igale tagaotsale uue koodi kirjutama, mis oleks väga kulukas.

Kvantturg on praegu huvitavas etapis. Näib, et iga nädal käivitatakse uusi kvantettevõtteid, kuid see tohutu buumifaas toimub enne, kui tehnoloogia on end tõeliselt kehtestanud. Kas olete mures, et toimub büst?

Usun, et selle tehnoloogia edendamiseks ja meie edusammude kiirendamiseks vajame laua taga palju-palju meeli. Traditsiooniliselt mõõdetakse seda tüüpi tehnoloogiaga edusamme aastakümnetega. Mõelge vaid ajale, mis kulus transistori leiutamisest mobiiltelefonide ja iPhone'ide omamiseni. Me ei taha seda kvantarvutite puhul. Tahame seda kiirendada. 

Usun, et selle tehnoloogia edendamiseks ja meie edusammude kiirendamiseks vajame laua taga palju-palju meeli

Hea uudis on see, et meil on tohutud eelised – meil on juba tarkvara ja klassikalised arvutid. Meie eelkäijatel ei olnud võimalust modelleerida, mida nad tegid, kui nad liikusid vaakumtorudest transistoride ja integraallülituste juurde. Neil polnud abiks klassikalisi arvuteid, samas kui meil on need käeulatuses. Kui ma näen, et ökosüsteem kasvab – rohkem ettevõtteid, rohkem idufirmasid, rohkem ülikooliõppe programme –, näen seda täpselt sellena, mida me vajame.

Nii et selle asemel, et keskenduda sellele, kas tuleb büst või "kvanttalv", keskendun nende mõttejuhtide kaasamisele, nende uuendajate lauale toomisele ja kvantide demokratiseerimisele, et saaksime kiiresti lahendused leida. Kui näitame edusamme, siis kvanttalve ei tule ja ma usun, et suudame seda edu saavutada kõikides valdkondades, alates seadmetest ja masinatest kuni tarkvara ja rakendusteni välja.

Kas teil on "Q-päevaks" kuupäev – see päev, mil esimene praktiline arvuti võrku tuleb?

Kvantarvutid on juba võrgus. Need asuvad Azure'is ja pääsete neile juurde. Kuid kiirus, millega me suurendame ja saavutame kvanteelise, sõltub sellest, kas kõik osalevad ja sisse hüppavad. Microsoftis töötame nii kiiresti kui võimalik, et masinat suurendada ja platvormi skaleerida, kuid sõltume ka inimestest vähem kubiteid nõudvate algoritmide väljatöötamine – võib-olla hüppades sisse ja kasutades QIR-i parema kompileerimisvirna loomiseks. Edusammud seisnevad mõlemas otsas erinevuste saavutamises, masina täiustamises ja algoritmide kulude vähendamises. See muudab ajaskaala ja kiirendab päeva, mil näeme praktilist kvanteelist.