کریستا سوورنایب رئیس مایکروسافت کوانتوم، با کمیساریای توشنا در مورد سفر این شرکت به سمت مزیت کوانتومی صحبت می کند.
در سراسر جهان، شرکت های کوچک و بزرگ به طور یکسان در حال رقابت برای توسعه و راه اندازی فناوری های محاسباتی مبتنی بر فیزیک کوانتومی هستند. در حالی که اصول اولیه چند دهه است که وجود داشته است، محققان، صنعت و دولت‌ها همگی در تلاش هستند تا رایانه‌های کوانتومی عملی بسازند و بزرگ‌تر کنند و شرکت فناوری آمریکایی مایکروسافت یکی از بازیگران اصلی آن است.
در اوایل سال جاری، مهندس برجسته و رئیس تیم Quantum مایکروسافت، Krysta Svore، سخنرانی اصلی را در اکونومیست کوانتوم تجاری مجله رویداد در لندن او بعداً با آن روبرو شد دنیای فیزیک برای بحث در مورد مسیر شرکت به سمت یک سیستم کوانتومی مقیاس پذیر - از کیوبیت های توپولوژیکی تا لاجورد مایکروسافت پلت فرم محاسبات ابری کوانتومی و مشارکت های ترکیبی، به کل بازار کوانتومی.
مایکروسافت در حال حاضر در دنیای کوانتومی چه می کند؟
یکی از سوالاتی که ما در حال بررسی آن هستیم این است که چگونه سفر به مزیت کوانتومی را تسریع کنیم. منظور من از مزیت کوانتومی، اول از همه، این است که ما می خواهیم بتوانیم مشکلاتی را حل کنیم که معنادار هستند و به پیشرفت جامعه ما کمک می کنند. من یک دختر دارم و می‌خواهم آینده را برای او تغییر دهم - نمی‌خواهم این چالش‌های هرکول مربوط به پایداری، تغییرات آب و هوا، انرژی و یافتن راه‌های بهتر برای استفاده از منابع روی سیاره‌مان را به او واگذار کنم.
با محاسبات کوانتومی، این امیدواری وجود دارد که بتوانیم برخی از این مشکلات را برطرف کنیم، اما نمی‌توانیم آن را با یک کامپیوتر کوانتومی به عنوان یک ماشین مستقل انجام دهیم. به عنوان مثال، برای بررسی چگونگی بهبود تثبیت نیتروژن، یا جذب دی اکسید کربن و تبدیل آن به متانول، واقعاً به یک راه حل ترکیبی نیاز دارید، راه حلی که محاسبات کوانتومی را در یک ابر رایانه کلاسیک ادغام کند. بنابراین این چیزی است که ما در حال ساخت آن هستیم مایکروسافت با سیستم محاسبات ابری ما Azure. ما قصد داریم ابررایانه‌ای ترکیبی، ناهمگن، با هوش مصنوعی و کوانتومی تولید کنیم که راه‌حل‌هایی را برای این نوع مشکلات ارائه دهد.
ما همچنین به پلتفرم نرم افزاری خود فکر می کنیم. ما سال‌ها الگوریتم‌های کوانتومی را مطالعه کرده‌ایم، بنابراین آنچه را که در مورد نحوه بهینه‌سازی و کامپایل آنها آموخته‌ایم، گرفته‌ایم و آن دانش را به پلتفرم خود آورده‌ایم. در حال حاضر، با Azure، می توانید مشکلات کوچک را روی مجموعه متنوعی از سخت افزار واقعی که توسط شرکای مختلف ما ارائه می شود، امتحان کنید. اما می‌توانید برنامه‌های کاربردی بنویسید، کد خود را توسعه دهید، تصمیم بگیرید که چقدر به یک کامپیوتر کوانتومی نیاز دارید و نحوه عملکرد آن در کنار یک کامپیوتر کلاسیک را بررسی کنید. می‌توانید این یکپارچه‌سازی را انجام دهید و اکنون اشکال‌زدایی کد را شروع کنید، زیرا با افزایش مقیاس ماشین‌ها و ادغام کامل با ابر، آن کد معتبر باقی می‌ماند.
دیدگاه شما برای اینکه چگونه به مقیاسی برسیم که بتوانیم با یک کامپیوتر کوانتومی کاری معنادار انجام دهیم چیست؟
مایکروسافت از ابتدا به مقیاس فکر می کرد. ما الگوریتم های کوانتومی را مطالعه کرده ایم. ما فیزیک را مطالعه کرده ایم؛ ما روی کل معماری سیستم از نرم افزار تا سخت افزار کار کرده ایم. و آنچه در مورد مقیاس آموخته ایم این است که باید از کیوبیت ها و ماشین کوانتومی خود چیزی متفاوت بپرسیم.
در طول دهه‌ها تحقیق، ما تشخیص داده‌ایم که یک ماشین موفق به سه ویژگی کلیدی نیاز دارد. ابتدا باید اندازه مناسبی داشته باشد. کیوبیت باید به اندازه‌ای کوچک باشد که بتوانید یک میلیون آن را روی یک ویفر قرار دهید تا دستگاه به اندازه یک آسمان‌خراش نباشد. بعد، باید سرعت مناسبی داشته باشد. ماشین باید به اندازه کافی سریع باشد که وقتی میلیاردها عملیات را اجرا می کنید، همه آنها در عرض چند هفته کامل شوند، به طوری که ما بیش از یک ماه منتظر راه حل کامل انتها به انتها با ترکیب کلاسیک و عناصر کوانتومی در نهایت، ما به کیوبیتی نیاز داریم که با افزایش مقیاس، به اندازه کافی قابل اعتماد باشد. منبعی که منابع زیادی را مصرف نمی کند زیرا ما از ویژگی های طبیعی کیوبیت ذاتی برای تصحیح خطاها استفاده می کنیم. این چیزی است که به ما امکان می دهد میلیاردها عملیات را اجرا کنیم.
در مایکروسافت، کیوبیتی را شناسایی و طراحی کرده‌ایم که احساس می‌کنیم در تمام این موارد درست است: کیوبیت توپولوژیکی. و در چند ماه گذشته، پیشرفت‌های بسیار هیجان‌انگیزی را که در جهت ایجاد این کیوبیت داشته‌ایم به اشتراک گذاشته‌ایم. در اصل، ما دستگاه‌هایی را مهندسی کرده‌ایم که این فیزیک بسیار گریزان را که برای یک قرن در مورد آن فرضیه شده است، نشان می‌دهند، که به موجب آن به اصطلاح حالت های صفر مایورانا در انتهای سیم های نانومقیاس ظاهر می شوند. این نشانه ای از نوع فیزیک است که ما برای نشان دادن یک کیوبیت توپولوژیکی به آن نیاز داریم، بنابراین یک نقطه عطف بسیار مهم هم برای علم و هم برای ساختن پایه است که باید بگوییم: "خوب، ما به یک میلیون کیوبیت خواهیم رسید."
در مورد این کیوبیت توپولوژیکی بیشتر به من بگویید. وقتی صحبت از استحکام به میان می آید چگونه است؟ آیا باید در دمای برودتی باشد؟
بله، در دماهای برودتی کار می کند، بنابراین از این نظر بسیار شبیه سایر کیوبیت ها در صنعت است، مانند کیوبیت های ابررسانا. این در یک یخچال رقیق است و 100 mK تقریباً محدوده دما است. از نظر استحکام، این چیزی است که ما برای نمایش بعدی خود روی آن کار خواهیم کرد. آنچه تا کنون نشان داده‌ایم فیزیک اساسی زیربنایی و ویژگی‌های حالت‌های صفر Majorana است، اما اکنون باید یک کیوبیت از آن ایجاد کنیم.. منظور من چیزی است که می توانید با آن عملیات انجام دهید. چیزی که می توانید کنترل کنید و بخوانید. زمانی که این کار را انجام دادیم، می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم و بگوییم: «بسیار، عمر آن است. اینجا این است که چقدر منسجم است.»
اما آنچه در مورد کیوبیت توپولوژیکی شگفت‌انگیز است – و دلیل سرمایه‌گذاری ما بر روی آن – این است که دارای این محافظت از خطای طبیعی است که ما معتقدیم به مقیاس‌بندی آن کمک می‌کند. این ویژگی از این واقعیت ناشی می شود که اطلاعاتی که کیوبیت رمزگذاری می کند، به یک معنا در چهار حالت صفر مایورانا، یکی در هر انتهای دو نانوسیم تقسیم می شود. اگر طبیعت سعی کند فقط یکی از آن حالت‌های صفر مایورانا را مختل کند، در واقع به حالت کوانتومی آسیبی وارد نخواهد کرد. در مقابل، با یک کیوبیت ابررسانا، حالت کوانتومی در یک نقطه نگه داشته می‌شود، بنابراین اگر در آن نقطه نویز دریافت کنید، حالت جدا می‌شود. برخلاف آن، ما درجه ای از تصحیح خطا یا تحمل خطا داریم که در کیوبیت توپولوژیکی ما تعبیه شده است.
در چه مرحله ای می توانید مشکلی را روی مثلاً کیوبیت های توپولوژیکی مایکروسافت اجرا کنید و سپس آزمایش را با استفاده از نوع دیگری از کیوبیت تکرار کنید و اطمینان حاصل کنید که خروجی یکسانی دریافت می کنیم؟
من عاشق این هستم که شما به این سمت می روید، و خوشحالم که به شما بگویم که امروز می توانیم این کار را انجام دهیم. در واقع، این بخشی از زیبایی Azure Quantum است – این امکان را به مردم می‌دهد تا از طریق سرویس ابری که در اختیار داریم، یک کد را روی چندین رایانه کوانتومی اجرا کنند. شما می توانید یک تکه کد بنویسید - شاید نمونه کوچکی از الگوریتم Azure باشد، شاید معادل کوانتومی "Hello world" باشد - و آن را بر روی سخت افزار توسعه یافته توسط شرکت هایی مانند کوانتینیوم و IonQ. آنها هر دو پلتفرم تله یونی هستند، اما ما نیز با آنها شریک هستیم Quantum Circuits Inc. (QCI)، که از یک پلت فرم کیوبیت ابررسانا استفاده می کند و ما یک پلت فرم کیوبیت ابررسانا مبتنی بر نیمه هادی سیلیکونی داریم. رایج محاسبات و یک پلت فرم پردازنده کوانتومی اتم خنثی از پاسکال، که هر دو به زودی آنلاین می شوند.
بنابراین این پنج پلتفرم سخت‌افزاری کوانتومی مختلف است که از طریق Azure در دسترس است، و چیزی که واقعاً تمیز است، انعطاف‌پذیری شما با کد است. می توانید الگوریتم کوانتومی خود را در آن بنویسید Q# که یک زبان سطح بالا برای توسعه الگوریتم است. این انتخاب من خواهد بود، اما شما همچنین می توانید با کدهای خود وارد شوید. به عنوان مثال، اگر قبلاً مشکل خود را روی یکی از دستگاه های IBM اجرا کرده اید و آنها را دارید کیسکیت کد از قبل نوشته شده است، سپس می توانید به سادگی آن کد را نیز در سیستم ما اجرا کنید. شما می‌توانید یکی از پنج پلتفرم سخت‌افزاری را انتخاب کنید و کد را برای شما در هر قسمتی که انتخاب کنید، جمع‌آوری می‌کند.
این بدان معناست که می‌توانید همان برنامه را روی همه آن دستگاه‌های بک‌اند اجرا کنید و ببینید که چگونه رفتار می‌کند. زیرا مسلماً این دستگاه‌ها دارای معماری‌های متفاوت، اتصالات مختلف و حتی سرعت و وفاداری متفاوتی هستند. از طریق Azure، می توانید همه چیز را در مورد آن تفاوت ها و شباهت ها یاد بگیرید.
آیا قصد دارید پلتفرم های سخت افزاری اضافی را وارد کنید؟
بله، ما واقعاً به دموکراتیک کردن محاسبات کوانتومی با وارد کردن جامعه برای رشد اکوسیستم اعتقاد داریم. بسیاری از کدها و ابزارهای پلتفرم ما منبع باز هستند، و همچنین چندین ارائه دهنده سخت افزار، ما انواع مختلفی از شبیه سازها را از شرکای خود داریم. اینها برنامه‌هایی هستند که به شما کمک می‌کنند تا قبل از اجرای کد، نحوه اجرای کد خود را بر روی یک پلتفرم سخت‌افزاری مشخص کنید. ما همچنین چیزی به نام تخمین‌گر منابع داریم که می‌توانید از آنها استفاده کنید اگر می‌خواهید بدانید پس از افزایش مقیاس ماشین‌ها، اجرای یک الگوریتم برای شما چقدر هزینه دارد یا به چه اندازه ماشین نیاز دارید.
توسعه هیجان انگیز بیشتر چیزی است که ما آن را می نامیم نمایش متوسط کوانتومی (QIR)، که به شما امکان می دهد هر زبان سطح بالایی را انتخاب کنید (مورد علاقه خود را انتخاب کنید)، آن را به QIR نقشه برداری کنید و آن را به هر تعداد ارائه دهنده پشتیبان ارسال کنید. ما این را به عنوان یک لایه مهم در پشته نرم افزار جهانی می بینیم، زیرا چیزی است که سهولت ترجمه یا نگاشت بر روی سخت افزارهای مختلف را تسهیل می کند.
می توانید QIR را به عنوان یک زبان لایه میانی جهانی در نظر بگیرید که ارتباط بین زبان های سطح بالا و ماشین ها را امکان پذیر می کند. بسیاری از سازمان ها قبلاً آن را پذیرفته اند. به عنوان بخشی از یک اتحاد از طریق توسعه داده شده است بنیاد توسعه مشترک لینوکس. در واقع QCI، Quantinuum، Rigetti، کارت گرافیک Nvidia و آزمایشگاه ملی Oak Ridge همه اعلام کرده اند که کامپایلرهای خود را از طریق QIR می سازند.
و همه اینها بخشی از آنچه نامیده می شود است LLVM، که یک چارچوب کامپایلر کلاسیک بسیار محبوب است، بنابراین به شما امکان می دهد از ابزارهای کامپایل و بهینه سازی صنعت محاسبات کلاسیک استفاده کنید. این واقعاً هزینه نوشتن ترجمه را کاهش می دهد. در غیر این صورت، شما باید کد جدیدی را برای هر زبان در هر بک اند بنویسید، که بسیار گران خواهد بود.
بازار کوانتومی در حال حاضر در مرحله جالبی قرار دارد. به نظر می‌رسد هر هفته، شرکت‌های کوانتومی جدیدی راه‌اندازی می‌شوند، اما این مرحله رونق عظیم قبل از اینکه این فناوری واقعاً خود را تثبیت کند اتفاق می‌افتد. آیا نگران این هستید که یک نیم تنه وجود داشته باشد؟
من معتقدم که ما برای پیشرفت این فناوری و سرعت بخشیدن به پیشرفت خود به ذهن های بسیاری نیاز داریم. به طور سنتی، با این نوع فناوری، پیشرفت ها در چند دهه اندازه گیری می شود. فقط به مدت زمانی فکر کنید که از اختراع ترانزیستور به داشتن تلفن های همراه و آیفون می گذرد. ما این را با محاسبات کوانتومی نمی خواهیم. ما می خواهیم آن را تسریع کنیم.
من معتقدم که ما برای پیشرفت این فناوری و سرعت بخشیدن به پیشرفت خود به ذهن های بسیاری نیاز داریم
خبر خوب این است که ما مزایای بزرگی داریم - ما در حال حاضر نرم افزار و کامپیوترهای کلاسیک داریم. پیشینیان ما توانایی مدل‌سازی کاری که انجام می‌دادند را نداشتند، زمانی که از لوله‌های خلاء به ترانزیستورها به مدارهای مجتمع می‌رفتند. آنها کامپیوترهای کلاسیک نداشتند که به آنها کمک کند، در حالی که ما آنها را در دستان خود داریم. وقتی می بینم اکوسیستم رشد می کند - شرکت های بیشتر، استارت آپ های بیشتر، برنامه های تحصیلی دانشگاهی بیشتر - آن را دقیقاً همان چیزی می بینم که به آن نیاز داریم.
بنابراین، به جای تمرکز بر روی این موضوع که آیا یک شکست یا یک "زمستان کوانتومی" وجود خواهد داشت، من بر مشارکت دادن آن رهبران فکری، آوردن آن نوآوران به میز و دموکراتیک کردن کوانتوم تمرکز می کنم تا بتوانیم به سرعت راه حل ها را پیدا کنیم. اگر پیشرفتی را نشان دهیم، زمستان کوانتومی وجود نخواهد داشت و من معتقدم که می‌توانیم این پیشرفت را در همه زمینه‌ها، از دستگاه‌ها و ماشین‌ها گرفته تا نرم‌افزارها و برنامه‌ها، داشته باشیم.
آیا تاریخی برای "روز Q" در نظر دارید - یعنی روزی که اولین کامپیوتر کاربردی آنلاین می شود؟
کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر آنلاین هستند. آنها در Azure هستند و شما می توانید به آنها دسترسی داشته باشید. اما سرعت افزایش مقیاس و رسیدن به مزیت کوانتومی به مشارکت و پرش همه افراد بستگی دارد. در مایکروسافت، ما با حداکثر سرعتی که می‌توانیم می‌جنگیم تا دستگاه را افزایش دهیم و پلتفرم را بزرگ کنیم، اما به افراد نیز وابسته هستیم. توسعه الگوریتم‌هایی که به کیوبیت‌های کمتری نیاز دارند - شاید با پرش و استفاده از QIR برای ایجاد یک پشته کامپایل بهتر. پیشرفت در مورد ایجاد تفاوت از هر دو طرف، بهبود ماشین و همچنین کاهش هزینه الگوریتم ها است. این همان چیزی است که جدول زمانی را تغییر می‌دهد و روزی را تسریع می‌کند که مزیت کوانتومی عملی را ببینیم.
