Krista Svore, vice-président de Microsoft Quantum, parle au Tushna Commissariat du parcours de l'entreprise vers l'avantage quantique
Partout dans le monde, petites et grandes entreprises se battent pour développer et lancer des technologies informatiques basées sur la physique quantique. Alors que les principes de base sont en place depuis quelques décennies, les chercheurs, l'industrie et les gouvernements travaillent tous à la construction et à la mise à l'échelle d'ordinateurs quantiques pratiques, la société technologique américaine Microsoft étant un acteur clé.
Plus tôt cette année, un ingénieur distingué et chef de L'équipe Quantum de Microsoft, Krysta Svore, a prononcé un discours à The Economist Commercialiser Quantum du magazine événement à Londres. Elle a ensuite rattrapé Monde de la physique pour discuter de la voie de l'entreprise vers un système quantique évolutif - des qubits topologiques, à Azure de Microsoft plate-forme de cloud computing quantique et partenariats hybrides, au marché quantique dans son ensemble.
Que fait Microsoft dans le monde quantique en ce moment ?
L'une des questions que nous examinons est de savoir comment accélérer le voyage vers l'avantage quantique. Ce que j'entends par avantage quantique, c'est avant tout que nous voulons être en mesure de résoudre des problèmes qui ont du sens et qui contribueront à faire avancer notre société. J'ai une fille et je veux changer l'avenir pour elle - je ne veux pas lui laisser ces défis herculéens liés à la durabilité, au changement climatique, à l'énergie et à la recherche de meilleures façons d'utiliser les ressources de notre planète.
Avec l'informatique quantique, il y a de l'espoir que nous puissions commencer à résoudre certains de ces problèmes, mais nous ne pourrons pas le faire avec un ordinateur quantique en tant que machine autonome. Pour savoir comment améliorer la fixation de l'azote, ou capter le dioxyde de carbone et le convertir en méthanol, par exemple, il faut vraiment une solution hybride, qui intègre l'informatique quantique dans un supercalculateur classique. C'est donc ce que nous construisons Microsoft avec notre système de cloud computing Azure. Nous visons à produire un supercalculateur hybride, hétérogène, alimenté par l'IA et alimenté par l'énergie quantique, qui apportera des solutions à ces types de problèmes.
Nous réfléchissons également à notre plate-forme logicielle. Nous étudions les algorithmes quantiques depuis des années, nous avons donc pris ce que nous avons appris sur la façon de les optimiser et de les compiler, et avons apporté ces connaissances à notre plateforme. À l'heure actuelle, avec Azure, vous pouvez essayer de petits problèmes sur un ensemble diversifié de matériel réel fourni par nos différents partenaires. Mais vous pouvez également écrire des applications, développer votre code, décider de la taille d'un ordinateur quantique dont vous aurez besoin et déterminer comment il fonctionnera parallèlement à un ordinateur classique. Vous pouvez effectuer cette intégration et commencer à déboguer le code maintenant, car ce code restera valide à mesure que les machines évoluent et s'intègrent pleinement au cloud.
Quelle est votre vision de la façon dont nous arrivons à une échelle où nous pouvons faire quelque chose de significatif avec un ordinateur quantique ?
Microsoft a pensé à l'échelle depuis le début. Nous avons étudié les algorithmes quantiques ; nous avons étudié la physique; nous avons travaillé sur toute l'architecture du système, du logiciel au matériel. Et ce que nous avons appris sur l'échelle, c'est que nous devons demander quelque chose de différent à nos qubits et à notre machine quantique.
Au cours de décennies de recherche, nous avons identifié qu'une machine performante a besoin de trois caractéristiques clés. Tout d'abord, il doit être de la bonne taille. Le qubit doit être suffisamment petit pour que vous puissiez en mettre un million sur une plaquette, afin que la machine ne finisse pas par avoir la taille d'un gratte-ciel. Ensuite, il doit être à la bonne vitesse. La machine doit être suffisamment rapide pour que lorsque vous exécutez des milliards d'opérations, toutes puissent être terminées en quelques semaines, de sorte que nous n'attendions pas plus d'un mois pour la solution complète de bout en bout combinant classique et éléments quantiques. Enfin, nous avons besoin d'un qubit suffisamment fiable à mesure que nous progressons ; un qui ne consommera pas autant de ressources car nous profitons des propriétés naturelles et intrinsèques des qubits pour corriger les erreurs. C'est ce qui nous permettra de gérer des milliards d'opérations.
Chez Microsoft, nous avons identifié et conçu un qubit qui, selon nous, est parfait sur tous ces points : le qubit topologique. Et au cours des derniers mois, nous avons partagé des progrès vraiment passionnants que nous avons réalisés vers la création de ce qubit. Essentiellement, nous avons conçu des appareils qui démontrent cette physique très insaisissable qui a fait l'objet d'hypothèses pendant un siècle, selon laquelle ce qu'on appelle Les modes zéro de Majorana émergent à l'extrémité des fils à l'échelle nanométrique. Il s'agit d'une signature du type de physique dont nous avons besoin pour démontrer un qubit topologique, c'est donc une étape très importante à la fois pour la science et pour la construction des fondations dont nous avons besoin pour dire : "D'accord, nous atteindrons un million de qubits".
Dites-m'en plus sur ce qubit topologique. Qu'en est-il de la robustesse ? Doit-il être à des températures cryogéniques ?
Oui, il fonctionne à des températures cryogéniques, donc à cet égard, il ressemble beaucoup à certains autres qubits de l'industrie, tels que les qubits supraconducteurs. C'est dans un réfrigérateur à dilution, et 100 mK est à peu près la plage de température. En termes de robustesse, c'est quelque chose sur lequel nous allons travailler pour notre prochaine démonstration. Ce que nous avons montré jusqu'à présent, c'est la physique fondamentale sous-jacente et les propriétés des modes zéro de Majorana, mais nous devons maintenant créer un qubit à partir de cela.. J'entends par là quelque chose avec lequel vous pouvez effectuer des opérations; quelque chose que vous pouvez contrôler et lire. Une fois que nous aurons fait cela, nous pourrons alors le mesurer et dire : « Bon, voici sa durée de vie. Voilà à quel point c'est cohérent.
Mais ce qui est merveilleux avec le qubit topologique – et la raison pour laquelle nous y investissons tant – c'est qu'il dispose de cette protection contre les erreurs naturelles qui, selon nous, l'aidera à évoluer. Cette propriété découle du fait que les informations encodées par le qubit sont, en quelque sorte, réparties sur quatre modes zéro de Majorana, un à chaque extrémité de deux nanofils. Si la nature essaie de perturber un seul de ces modes zéro de Majorana, cela ne nuira pas réellement à l'état quantique. En revanche, avec un qubit supraconducteur, l'état quantique est maintenu en un seul point, donc si vous obtenez du bruit à ce point, l'état décohère. Contrairement à cela, nous avons un degré de correction d'erreur ou de tolérance aux pannes qui est intégré à notre qubit topologique.
À quel moment serez-vous en mesure d'exécuter un problème sur, par exemple, les qubits topologiques de Microsoft, puis de répéter l'expérience en utilisant un type de qubit différent et de vous assurer que nous obtenons le même résultat ?
J'adore où vous vous dirigez avec cela, et je suis heureux de vous dire que nous pouvons le faire aujourd'hui. En fait, cela fait partie de la beauté d'Azure Quantum - il offre aux gens la possibilité d'exécuter le même code sur plusieurs ordinateurs quantiques, via le service cloud dont nous disposons. Vous pouvez écrire un seul morceau de code - peut-être une petite instance de l'algorithme d'Azure, peut-être l'équivalent quantique de "hello world" - et l'exécuter sur du matériel développé par des sociétés telles que quantique ainsi que IonQ. Ce sont deux plates-formes de pièges à ions, mais nous collaborons également avec Circuits quantiques inc. (QCI), qui utilise une plate-forme qubit supraconductrice, et nous avons une plate-forme qubit supraconductrice à base de semi-conducteurs de silicium de Rigetti Computing et une plate-forme de processeur quantique à atomes neutres de Pascal, qui seront bientôt en ligne.
Il s'agit donc de cinq plates-formes matérielles quantiques différentes disponibles via Azure, et ce qui est vraiment intéressant, c'est la flexibilité dont vous disposez avec le code. Vous pouvez écrire votre algorithme quantique dans Q#, qui est un langage de haut niveau pour le développement d'algorithmes. Ce serait mon choix, mais vous pouvez aussi entrer avec vos propres codes. Par exemple, si vous avez déjà exécuté votre problème sur l'un des appareils d'IBM et que vous avez leur Kikit code déjà écrit, alors vous pouvez simplement exécuter ce code aussi sur notre système. Vous pouvez sélectionner l'une des cinq plates-formes matérielles et il compilera le code pour vous sur le "back-end" que vous choisissez.
Cela signifie que vous pouvez exécuter la même application sur tous ces appareils principaux et voir comment elle se comporte. Parce que bien sûr, ces appareils ont des architectures différentes, une connectivité différente et même des vitesses et des fidélités de fonctionnement différentes. Grâce à Azure, vous pouvez tout savoir sur ces différences et similitudes.
Envisagez-vous d'apporter des plates-formes matérielles supplémentaires ?
Oui, nous croyons vraiment à la démocratisation de l'informatique quantique en faisant participer la communauté pour développer l'écosystème. Une grande partie de nos outils de code et de plate-forme sont open source, et en plus de plusieurs fournisseurs de matériel, nous avons toute une variété de simulateurs provenant de nos partenaires. Ce sont des programmes qui vous aident à déterminer comment votre code s'exécutera sur une plate-forme matérielle donnée, avant de l'exécuter. Nous avons également ce qu'on appelle des estimateurs de ressources, que vous pouvez utiliser si vous voulez savoir combien vous coûtera un algorithme à exécuter une fois que les machines seront montées en puissance, ou de quelle taille de machine vous aurez besoin.
Un autre développement passionnant est quelque chose que nous appelons Représentation intermédiaire quantique (QIR), qui vous permet de prendre n'importe quel langage de haut niveau (choisissez votre préféré), de le mapper sur QIR et de l'envoyer à n'importe quel nombre de fournisseurs back-end. Nous considérons cela comme une couche importante dans la pile logicielle globale, car c'est quelque chose qui facilite la traduction ou le mappage sur différents matériels.
Vous pouvez considérer QIR comme un langage universel de couche intermédiaire qui permet la communication entre des langages de haut niveau et des machines. De nombreuses organisations l'ont déjà adopté. Il a été développé dans le cadre d'une alliance à travers le Fondation de développement conjoint de la Linux Foundation. En effet, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia ainsi que Oak Ridge National Laboratory ont tous annoncé qu'ils allaient construire leurs compilateurs via QIR.
Et tout cela fait partie de ce qu'on appelle LLVM, qui est un cadre de compilateur classique très populaire, il vous permet donc de tirer parti des outils de compilation et d'optimisation de l'industrie informatique classique. Cela réduit vraiment le coût de la rédaction des traductions. Sinon, vous auriez à écrire un nouveau code pour chaque langue dans chaque back-end, ce qui serait très coûteux.
Le marché quantique est actuellement à un stade intéressant. Il semble que chaque semaine, de nouvelles entreprises quantiques se lancent, mais cette phase de boom massif a lieu avant que la technologie ne se soit vraiment établie. Craignez-vous qu'il y ait un buste?
Je crois que nous avons besoin de beaucoup, beaucoup d'esprits autour de la table pour faire progresser cette technologie et accélérer nos progrès. Traditionnellement, avec ce type de technologie, les avancées se mesurent en décennies. Il suffit de penser au temps qu'il a fallu pour passer de l'invention du transistor aux téléphones portables et aux iPhones. Nous ne voulons pas cela avec l'informatique quantique. Nous voulons l'accélérer.
Je crois que nous avons besoin de beaucoup, beaucoup d'esprits autour de la table pour faire progresser cette technologie et accélérer nos progrès
La bonne nouvelle est que nous avons d'énormes avantages – nous avons déjà des logiciels et des ordinateurs classiques. Nos prédécesseurs n'avaient pas la capacité de modéliser ce qu'ils faisaient lorsqu'ils passaient des tubes à vide aux transistors en passant par les circuits intégrés. Ils n'avaient pas d'ordinateurs classiques pour les aider, alors que nous les avons à portée de main. Quand je vois l'écosystème se développer - plus d'entreprises, plus de start-ups, plus de programmes universitaires - je le considère comme exactement ce dont nous avons besoin.
Ainsi, au lieu de me concentrer sur la question de savoir s'il y aura un effondrement ou un "hiver quantique", je me concentre sur l'engagement de ces leaders d'opinion, sur la participation de ces innovateurs et sur la démocratisation du quantique afin que nous puissions proposer des solutions rapidement. Si nous montrons des progrès, il n'y aura pas d'hiver quantique, et je pense que nous pouvons réaliser ces progrès dans tous les domaines, des appareils et machines aux logiciels et applications.
Avez-vous une date en tête pour le « Q-day », c'est-à-dire le jour où le premier ordinateur pratique sera mis en ligne ?
Les ordinateurs quantiques sont déjà en ligne. Ils sont dans Azure et vous pouvez y accéder. Mais la vitesse à laquelle nous évoluons et atteignons un avantage quantique dépend de l'engagement et de la participation de chacun. Chez Microsoft, nous courons aussi vite que possible pour faire évoluer la machine et faire évoluer la plate-forme, mais nous dépendons également des personnes. développer des algorithmes qui nécessitent moins de qubits - peut-être en sautant et en utilisant QIR pour créer une meilleure pile de compilation. Le progrès consiste à faire la différence des deux côtés, à améliorer la machine et à réduire le coût des algorithmes. C'est ce qui va changer la chronologie et accélérer le jour où nous verrons un avantage quantique pratique.
