Krysta Svore, Microsoft Quantumin varapuheenjohtaja, keskustelee Tushna Commissariatille yrityksen matkasta kvanttietuihin
Ympäri maailmaa pienet ja suuret yritykset kilpailevat kehittääkseen ja tuodakseen markkinoille kvanttifysiikkaan perustuvia laskentatekniikoita. Vaikka perusperiaatteet ovat olleet voimassa muutaman vuosikymmenen ajan, tutkijat, teollisuus ja hallitukset pyrkivät rakentamaan ja laajentamaan käytännöllisiä kvanttitietokoneita, ja yhdysvaltalainen teknologiayritys Microsoft on avainasemassa.
Aiemmin tänä vuonna arvostettu insinööri ja johtaja Microsoftin Quantum-tiimi Krysta Svore, piti pääpuheenvuoron klo Economist -lehden Commercializing Quantum tapahtuma Lontoossa. Hän sai myöhemmin kiinni Fysiikan maailma keskustella yrityksen tiestä kohti skaalautuvaa kvanttijärjestelmää – topologisista kubiteista Microsoftin Azure kvanttipilvilaskenta-alusta ja hybridikumppanuudet kvanttimarkkinoille kokonaisuudessaan.
Mitä Microsoft tekee kvanttimaailmassa juuri nyt?
Yksi pohdiskelemistamme kysymyksistä on se, kuinka nopeuttaa matkaa kvanttiedulle. Tarkoitan kvanttiedulla ennen kaikkea sitä, että haluamme pystyä ratkaisemaan ongelmia, jotka ovat merkityksellisiä ja auttavat viemään yhteiskuntaamme eteenpäin. Minulla on tytär, ja haluan muuttaa hänen tulevaisuuttaan – en halua jättää hänelle näitä herkuleisia haasteita, jotka liittyvät kestävään kehitykseen, ilmastonmuutokseen, energiaan ja parempien tapojen löytämiseen planeettamme resurssien hyödyntämiseen.
Kvanttilaskennan avulla on toivoa, että voimme alkaa ratkaista joitain näistä ongelmista, mutta emme aio tehdä sitä kvanttitietokoneella erillisenä koneena. Jos haluat selvittää, kuinka parantaa typen sitoutumista tai esimerkiksi hiilidioksidin talteenottoa ja muuntamista metanoliksi, tarvitset todella hybridiratkaisun, sellaisen, joka integroi kvanttilaskennan klassiseen supertietokoneeseen. Joten siihen me rakennamme Microsoft pilvilaskentaa käyttävällä Azure-järjestelmällämme. Tavoitteenamme on tuottaa hybridi, heterogeeninen, tekoälyllä toimiva kvanttikäyttöinen supertietokone, joka tarjoaa ratkaisuja tämäntyyppisiin ongelmiin.
Ajattelemme myös ohjelmistoalustaamme. Olemme tutkineet kvanttialgoritmeja vuosia, joten olemme ottaneet opiksemme niiden optimoinnista ja kääntämisestä ja tuoneet tämän tiedon alustallemme. Tällä hetkellä Azuren avulla voit kokeilla pieniä ongelmia erilaisilla todellisilla laitteistoilla, joita eri yhteistyökumppanimme toimittavat. Mutta voit myös kirjoittaa sovelluksia, kehittää koodiasi, päättää kuinka suuren kvanttitietokoneen tarvitset ja miettiä, miten se toimii klassisen tietokoneen rinnalla. Voit suorittaa tämän integroinnin ja aloittaa koodin virheenkorjauksen nyt, koska koodi pysyy voimassa, kun koneet laajenevat ja integroituvat täysin pilveen.
Mikä on näkemyksesi siitä, kuinka pääsemme mittakaavaan, jossa voimme tehdä jotain merkityksellistä kvanttitietokoneella?
Microsoft on alusta asti ajatellut mittakaavaa. Olemme tutkineet kvanttialgoritmeja; olemme opiskelleet fysiikkaa; olemme työstäneet koko järjestelmäarkkitehtuuria ohjelmistosta laitteistoon. Ja mitä olemme oppineet mittakaavasta, meidän on kysyttävä jotain erilaista kubiteistamme ja kvanttikoneestamme.
Vuosikymmeniä kestäneen tutkimuksen aikana olemme havainneet, että menestyvä kone tarvitsee kolme keskeistä ominaisuutta. Ensinnäkin sen on oltava oikean kokoinen. Kubitin on oltava tarpeeksi pieni, jotta siihen mahtuu miljoona, jotta kone ei päädy pilvenpiirtäjän kokoiseksi. Seuraavaksi sen on oltava oikea nopeus. Koneen on oltava riittävän nopea, jotta miljardeja operaatioita suoritettaessa ne kaikki voivat olla valmiit muutamassa viikossa, joten emme odota kuukautta kauempaa täydellistä päästä päähän -ratkaisua, jossa yhdistyvät klassinen ja kvanttielementtejä. Lopuksi tarvitsemme kubitin, joka on riittävän luotettava skaalautuessamme; sellainen, joka ei kuluta niin paljon resursseja, koska hyödynnämme luonnollisia, luontaisia qubit-ominaisuuksia virheiden korjaamiseen. Sen ansiosta voimme suorittaa miljardeja operaatioita.
Microsoftilla olemme tunnistaneet ja suunnitelleet kubitin, joka on mielestämme juuri oikea kaikissa näissä asioissa: topologinen kubitti. Ja muutaman viime kuukauden aikana olemme jakaneet todella jännittäviä edistysaskeleita, joita olemme saavuttaneet tämän kubitin luomisessa. Pohjimmiltaan olemme suunnitelleet laitteita, jotka osoittavat tätä erittäin vaikeasti arveluttavaa fysiikkaa, josta on oletettu vuosisadan ajan, jolloin ns. Majoranan nollamoodit ilmestyvät nanomittakaavan johtojen päähän. Tämä on merkki fysiikan tyypistä, jota tarvitsemme topologisen kubitin osoittamiseksi, joten se on erittäin merkittävä virstanpylväs sekä tieteelle että perustan rakentamiselle, jolle meidän on sanottava: "Okei, saavutamme miljoona kubittia."
Kerro minulle lisää tästä topologisesta kubitista. Miltä tuntuu, kun on kyse kestävyydestä? Pitääkö sen olla kryogeenisessä lämpötilassa?
Kyllä, se toimii kryogeenisissä lämpötiloissa, joten siinä suhteessa se on hyvin samanlainen kuin jotkut muut kubitit alalla, kuten suprajohtavat kubitit. Se on laimennusjääkaapissa, ja 100 mK on suunnilleen lämpötila-alue. Mitä tulee kestävyyteen, tämä on asia, jonka parissa työskentelemme seuraavaa esittelyä varten. Tähän mennessä olemme osoittaneet taustalla olevan perusfysiikan ja Majoranan nollamoodien ominaisuudet, mutta nyt meidän on luotava siitä kubitti. Tällä tarkoitan jotain, jolla voit suorittaa toimintoja; jotain, jota voit hallita ja lukea. Kun teemme sen, voimme mitata sen ja sanoa: "Okei, tässä on sen käyttöikä. Tässä on kuinka johdonmukaista se on."
Mutta mikä on ihmeellistä topologisessa kubitissa – ja syy, miksi olemme niin panostaneet siihen – on se, että siinä on tämä luonnollinen virhesuoja, jonka uskomme auttavan sitä skaalaamaan. Tämä ominaisuus johtuu siitä tosiasiasta, että qubitin koodaama informaatio on tietyssä mielessä jaettu neljään Majoranan nollamoodiin, yksi kahden nanolangan kummassakin päässä. Jos luonto yrittää häiritä vain yhtä Majoranan nollatilasta, se ei itse asiassa vahingoita kvanttitilaa. Sitä vastoin suprajohtavalla kubitilla kvanttitila säilyy yhdessä pisteessä, joten jos saat kohinaa siinä pisteessä, tila hajoaa. Päinvastoin, meillä on tietty virheenkorjaus- tai vikasietokyky, joka on sisäänrakennettu topologiseen qubitimme.
Missä vaiheessa voit suorittaa ongelman esimerkiksi Microsoftin topologisissa kubiteissa ja sitten toistaa kokeen käyttämällä erityyppistä kubittia ja varmistaaksesi, että saamme saman tuloksen?
Pidän siitä, mihin olet menossa tämän kanssa, ja voin ilokseni kertoa, että voimme tehdä sen tänään. Itse asiassa se on osa Azure Quantumin kauneutta – se tarjoaa ihmisille mahdollisuuden ajaa samaa koodia useilla kvanttitietokoneilla pilvipalvelun kautta. Voit kirjoittaa yhden koodinpätkän – ehkä se on pieni esiintymä Azuren algoritmista, ehkä se on kvanttivastine sanalle "hello world" - ja käyttää sitä laitteistolla, jonka ovat kehittäneet mm. Kvanttiuumi ja IonQ. Molemmat ovat ioniloukkualustoja, mutta teemme myös yhteistyötä Quantum Circuits Inc. (QCI), joka käyttää suprajohtavaa qubit-alustaa, ja meillä on piipuolijohdepohjainen suprajohtava qubit-alusta alkaen Rigetti Computing ja neutraaliatomin kvanttiprosessorialustan Pascal, jotka molemmat tulevat pian verkkoon.
Kyseessä on siis viisi erilaista kvanttilaitteistoalustaa, jotka ovat saatavilla Azuren kautta, ja mikä on todella siistiä, on koodin joustavuus. Voit kirjoittaa kvanttialgoritmisi sisään Q#, joka on korkean tason kieli algoritmien kehittämiseen. Se olisi minun valintani, mutta voit myös tulla sisään omilla koodeillasi. Esimerkiksi, jos olet aiemmin suorittanut ongelmasi jollakin IBM:n laitteista ja sinulla on niiden Qiskit koodi on jo kirjoitettu, voit yksinkertaisesti suorittaa kyseisen koodin myös järjestelmässämme. Voit valita minkä tahansa viidestä laitteistoympäristöstä, ja se kokoaa koodin puolestasi valitsemaasi "taustajärjestelmään".
Tämä tarkoittaa, että voit käyttää samaa sovellusta kaikissa taustalaitteissa ja nähdä, miten se toimii. Tietenkin näillä laitteilla on erilaiset arkkitehtuurit, erilaiset liitännät ja jopa erilaiset toimintanopeudet ja tarkkuudet. Azuren kautta voit oppia kaiken näistä eroista ja yhtäläisyyksistä.
Aiotteko tuoda lisää laitteistoalustoja?
Kyllä, uskomme todella kvanttitietokoneiden demokratisoimiseen ottamalla yhteisön mukaan ekosysteemin kasvattamiseen. Suurin osa koodi- ja alustatyökaluistamme on avoimen lähdekoodin, ja useiden laitteistotoimittajien lisäksi meillä on useita kumppaneiltamme tulevia simulaattoreita. Nämä ovat ohjelmia, jotka auttavat sinua selvittämään, kuinka koodisi toimii tietyllä laitteistoalustalla ennen sen suorittamista. Meillä on myös niin sanottuja resurssiestimaattoreita, joita voit käyttää, jos haluat tietää, kuinka paljon algoritmin suorittaminen maksaa sinulle, kun koneet laajenevat, tai kuinka suuren koneen tarvitset.
Jännittävä kehitys on jotain, jota kutsumme Quantum Intermediate Representation (QIR), jonka avulla voit valita minkä tahansa korkean tason kielen (valita suosikkisi), kartoittaa sen QIR:iin ja lähettää sen useille taustapalveluntarjoajille. Näemme tämän tärkeänä kerroksena maailmanlaajuisessa ohjelmistopinossa, koska se helpottaa kääntämistä tai yhdistämistä eri laitteille.
Voit ajatella QIR:ää universaalina keskikerroksen kielenä, joka mahdollistaa viestinnän korkean tason kielten ja koneiden välillä. Monet organisaatiot ovat jo ottaneet sen käyttöön. Se on kehitetty osana liittoutumaa Linux Foundationin yhteinen kehityssäätiö. Itse asiassa QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia ja Oak Ridgen kansallinen laboratorio ovat kaikki ilmoittaneet, että he aikovat rakentaa kääntäjiään QIR:n kautta.
Ja se kaikki on osa ns llvm, joka on erittäin suosittu klassinen kääntäjäkehys, joten sen avulla voit hyödyntää klassisen tietojenkäsittelyteollisuuden käännös- ja optimointityökaluja. Tämä vähentää todella käännösten kirjoittamiskustannuksia. Muuten joutuisit kirjoittamaan uusi koodi jokaiselle kielelle jokaiseen taustapäähän, mikä olisi erittäin kallista.
Kvanttimarkkinat ovat tällä hetkellä mielenkiintoisessa vaiheessa. Näyttää siltä, että joka viikko uusia kvanttiyrityksiä lanseerataan, mutta tämä massiivinen nousukausi tapahtuu ennen kuin teknologia on todella vakiinnuttanut asemansa. Oletko huolissasi siitä, että siellä on rintakuva?
Uskon, että tarvitsemme monia, monia mieliä pöydässä edistääksemme tätä teknologiaa ja nopeuttaaksemme edistymistämme. Perinteisesti tämän tyyppisellä tekniikalla edistystä mitattiin vuosikymmeninä. Ajattele vain aikaa, joka kesti siirtyä transistorin keksimisestä matkapuhelimiin ja iPhoneihin. Emme halua sitä kvanttilaskentaan. Haluamme nopeuttaa sitä.
Uskon, että tarvitsemme monia, monia mieliä pöydässä edistääksemme tätä teknologiaa ja nopeuttaaksemme edistymistämme
Hyvä uutinen on, että meillä on valtavia etuja – meillä on jo ohjelmistoja ja klassisia tietokoneita. Edeltäjämme eivät pystyneet mallintamaan, mitä he tekivät siirtyessään tyhjiöputkista transistoreihin integroituihin piireihin. Heillä ei ollut apuna klassisia tietokoneita, mutta meillä ne ovat käden ulottuvilla. Kun näen ekosysteemin kasvavan – enemmän yrityksiä, uusia yrityksiä, enemmän korkeakoulututkinto-ohjelmia – näen sen olevan juuri sitä mitä tarvitsemme.
Sen sijaan, että olisin keskittynyt siihen, tuleeko pulma vai "kvanttitalvi", keskityn ajatusjohtajien sitouttamiseen, innovaattorien tuomiseen pöytään ja kvanttien demokratisoimiseen, jotta voimme löytää ratkaisut nopeasti. Jos edistymme, kvanttitalvea ei tule, ja uskon, että voimme edistyä kaikilla alueilla laitteista ja koneista ohjelmistoihin ja sovelluksiin.
Onko sinulla mielessä päivämäärä "Q-päivälle" eli päivälle, jolloin ensimmäinen käytännöllinen tietokone tulee verkkoon?
Kvanttitietokoneet ovat jo verkossa. Ne ovat Azuressa ja voit käyttää niitä. Mutta nopeus, jolla skaalaamme ja saavutamme kvanttiedun, riippuu siitä, kuinka kaikki sitoutuvat ja hyppäävät mukaan. Microsoftilla pyrimme skaalaamaan konetta ja alustaa niin nopeasti kuin mahdollista, mutta olemme myös riippuvaisia ihmisistä kehittää algoritmeja, jotka vaativat vähemmän kubitteja – ehkä hyppäämällä sisään ja käyttämällä QIR:ää paremman käännöspinon luomiseen. Edistyminen tarkoittaa eron tekemistä molemmista päistä, koneen parantamista sekä algoritmien kustannusten alentamista. Se muuttaa aikajanaa ja nopeuttaa päivää, jolloin näemme käytännön kvanttiedun.
