क्वांटम पारिस्थितिकी तंत्र का लोकतंत्रीकरण: एक स्केलेबल क्वांटम कंप्यूटर की ओर मार्ग पर माइक्रोसॉफ्ट का क्रिस्टा स्वोर

दुनिया भर में, छोटी और बड़ी कंपनियाँ क्वांटम भौतिकी पर आधारित कंप्यूटिंग तकनीकों को विकसित करने और लॉन्च करने के लिए दौड़ रही हैं। जबकि बुनियादी सिद्धांत कुछ दशकों से लागू हैं, शोधकर्ता, उद्योग और सरकारें सभी व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटर बनाने और बढ़ाने की दिशा में काम कर रहे हैं, जिसमें अमेरिकी तकनीकी फर्म माइक्रोसॉफ्ट एक प्रमुख खिलाड़ी है। 

इस वर्ष की शुरुआत में, प्रतिष्ठित इंजीनियर और प्रमुख माइक्रोसॉफ्ट की क्वांटम टीम, क्रिस्टा स्वोर, पर एक मुख्य भाषण दिया अर्थशास्त्री पत्रिका का व्यावसायीकरण क्वांटम लंदन में घटना. बाद में वह पकड़ में आ गई भौतिकी की दुनिया स्केलेबल क्वांटम सिस्टम की ओर फर्म के मार्ग पर चर्चा करने के लिए - टोपोलॉजिकल क्वैबिट से लेकर माइक्रोसॉफ्ट का एज़्योर समग्र रूप से क्वांटम बाज़ार के लिए क्वांटम क्लाउड-कंप्यूटिंग प्लेटफ़ॉर्म और हाइब्रिड साझेदारी। 

Microsoft अभी क्वांटम दुनिया में क्या कर रहा है?

जिन प्रश्नों पर हम विचार कर रहे हैं उनमें से एक यह है कि क्वांटम लाभ की यात्रा को कैसे तेज किया जाए। क्वांटम लाभ से मेरा मतलब सबसे पहले यह है कि हम उन समस्याओं को हल करने में सक्षम होना चाहते हैं जो सार्थक हैं और हमारे समाज को आगे बढ़ाने में मदद करेंगी। मेरी एक बेटी है, और मैं उसके लिए भविष्य बदलना चाहता हूं - मैं स्थिरता, जलवायु परिवर्तन, ऊर्जा और हमारे ग्रह पर संसाधनों का उपयोग करने के बेहतर तरीके खोजने से संबंधित इन कठिन चुनौतियों को उसके लिए छोड़ना नहीं चाहता हूं। 

क्वांटम कंप्यूटिंग के साथ, उम्मीद है कि हम इनमें से कुछ समस्याओं का समाधान करना शुरू कर सकते हैं, लेकिन हम एक स्टैंडअलोन मशीन के रूप में क्वांटम कंप्यूटर के साथ ऐसा करने में सक्षम नहीं होंगे। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन स्थिरीकरण को बेहतर बनाने या कार्बन डाइऑक्साइड को कैप्चर करने और इसे मेथनॉल में परिवर्तित करने के तरीके पर काम करने के लिए, आपको वास्तव में एक हाइब्रिड समाधान की आवश्यकता है, जो क्वांटम कंप्यूटिंग को एक शास्त्रीय सुपर कंप्यूटर में एकीकृत करता है। तो हम इसी पर निर्माण कर रहे हैं Microsoft हमारे क्लाउड-कंप्यूटिंग Azure सिस्टम के साथ. हमारा लक्ष्य एक हाइब्रिड, विषम, एआई-संचालित, क्वांटम-संचालित सुपरकंप्यूटर का उत्पादन करना है जो इस प्रकार की समस्याओं के लिए समाधान लाएगा। 

हम अपने सॉफ़्टवेयर प्लेटफ़ॉर्म के बारे में भी सोच रहे हैं। हम वर्षों से क्वांटम एल्गोरिदम का अध्ययन कर रहे हैं, इसलिए हमने उन्हें अनुकूलित और संकलित करने के तरीके के बारे में जो सीखा है, उसे लिया है और उस ज्ञान को अपने मंच पर लाया है। अभी, Azure के साथ, आप हमारे विभिन्न भागीदारों द्वारा आपूर्ति किए गए वास्तविक हार्डवेयर के विविध सेट पर छोटी समस्याओं का प्रयास कर सकते हैं। लेकिन आप एप्लिकेशन भी लिख सकते हैं, अपना कोड विकसित कर सकते हैं, तय कर सकते हैं कि आपको कितने बड़े क्वांटम कंप्यूटर की आवश्यकता होगी और यह पता लगा सकते हैं कि यह क्लासिक कंप्यूटर के साथ कैसे काम करेगा। आप उस एकीकरण को निष्पादित कर सकते हैं और अभी कोड को डीबग करना शुरू कर सकते हैं, क्योंकि मशीनों के बड़े होने और क्लाउड के साथ पूरी तरह से एकीकृत होने पर वह कोड वैध रहेगा।

इस बारे में आपका दृष्टिकोण क्या है कि हम उस पैमाने तक कैसे पहुँचें जहाँ हम क्वांटम कंप्यूटर के साथ कुछ सार्थक कर सकें?

माइक्रोसॉफ्ट शुरू से ही स्केल के बारे में सोचता रहा है। हमने क्वांटम एल्गोरिदम का अध्ययन किया है; हमने भौतिकी का अध्ययन किया है; हमने सॉफ्टवेयर से लेकर हार्डवेयर तक पूरे सिस्टम आर्किटेक्चर पर काम किया है। और हमने पैमाने के बारे में जो सीखा है वह यह है कि हमें अपनी क्वैबिट और अपनी क्वांटम मशीन से कुछ अलग पूछने की ज़रूरत है। 

दशकों के शोध से, हमने पहचाना है कि एक सफल मशीन को तीन प्रमुख विशेषताओं की आवश्यकता होती है। सबसे पहले, इसका सही आकार होना आवश्यक है। क्यूबिट इतना छोटा होना चाहिए कि आप एक वेफर पर दस लाख फिट कर सकें, ताकि मशीन एक गगनचुंबी इमारत के आकार की न हो जाए। इसके बाद, इसकी गति सही होनी चाहिए। मशीन इतनी तेज़ होनी चाहिए कि जब आप अरबों ऑपरेशन चलाएं, तो वे सभी कुछ ही हफ्तों में पूरे हो सकें, ताकि हमें शास्त्रीय और संपूर्ण संयोजन वाले संपूर्ण एंड-टू-एंड समाधान के लिए एक महीने से अधिक इंतजार न करना पड़े। क्वांटम तत्व. अंत में, हमें एक ऐसे क्वबिट की आवश्यकता है जो हमारे बड़े होने पर पर्याप्त विश्वसनीय हो; वह जो उतने अधिक संसाधनों का उपभोग नहीं करेगा क्योंकि हम त्रुटियों को ठीक करने के लिए प्राकृतिक, आंतरिक क्वबिट गुणों का लाभ उठा रहे हैं। यही हमें अरबों ऑपरेशन चलाने की अनुमति देगा। 

माइक्रोसॉफ्ट में, हमने एक क्वबिट की पहचान की है और उसे डिज़ाइन किया है जो हमें लगता है कि उन सभी मामलों में बिल्कुल सही है: टोपोलॉजिकल क्वैबिट. और पिछले कुछ महीनों के भीतर, हमने इस कक्षा को बनाने की दिशा में कुछ बेहद रोमांचक प्रगति साझा की है। संक्षेप में, हमने ऐसे उपकरण इंजीनियर किए हैं जो इस अत्यंत मायावी भौतिकी को प्रदर्शित करते हैं जिसके बारे में एक शताब्दी से परिकल्पना की गई है, जिससे तथाकथित मेजराना शून्य-मोड नैनोस्केल तारों के अंत में उभरते हैं. यह भौतिकी के उस प्रकार का एक हस्ताक्षर है जिसकी हमें टोपोलॉजिकल क्वबिट को प्रदर्शित करने के लिए आवश्यकता है, इसलिए यह विज्ञान और नींव के निर्माण दोनों के लिए एक बहुत ही महत्वपूर्ण मील का पत्थर है, हमें यह कहने की ज़रूरत है, "ठीक है, हम एक मिलियन क्यूबिट तक पहुंच जाएंगे।" 

मुझे इस टोपोलॉजिकल क्वबिट के बारे में और बताएं। जब मजबूती की बात आती है तो यह कैसा होता है? क्या इसे क्रायोजेनिक तापमान पर होना आवश्यक है?

हां, यह क्रायोजेनिक तापमान पर काम करता है, इसलिए उस संबंध में यह उद्योग में कुछ अन्य क्वैबिट्स जैसे सुपरकंडक्टिंग क्वैबिट्स के समान है। यह एक तनुकरण रेफ्रिजरेटर में है, और 100 mK लगभग तापमान सीमा है। मजबूती के संदर्भ में, यह कुछ ऐसा है जिस पर हम अपने अगले प्रदर्शन के लिए काम करेंगे। अब तक हमने जो दिखाया है वह अंतर्निहित मौलिक भौतिकी और मेजराना शून्य मोड के गुण हैं, लेकिन अब हमें उसमें से एक क्वबिट बनाने की जरूरत है. इससे मेरा तात्पर्य कुछ ऐसी चीज़ से है जिसके साथ आप ऑपरेशन कर सकते हैं; कुछ ऐसा जिसे आप नियंत्रित कर सकते हैं और पढ़ सकते हैं। एक बार जब हम ऐसा कर लेंगे, तो हम इसे माप सकेंगे और कह सकेंगे, “ठीक है, यहाँ इसका जीवनकाल है। यहां बताया गया है कि यह कितना सुसंगत है।" 

लेकिन टोपोलॉजिकल क्वबिट के बारे में जो अद्भुत बात है - और इसका कारण यह है कि हम इसमें इतने निवेशित हैं - यह है कि इसमें यह प्राकृतिक त्रुटि सुरक्षा है और हमारा मानना ​​है कि इससे इसे बड़े पैमाने पर मदद मिलेगी। यह गुण इस तथ्य से उत्पन्न होता है कि क्वबिट एन्कोड की गई जानकारी, एक अर्थ में, चार मेजराना शून्य मोड में विभाजित होती है, दो नैनोवायरों के प्रत्येक छोर पर एक। यदि प्रकृति उन मेजराना शून्य मोडों में से केवल एक को परेशान करने की कोशिश करती है, तो यह वास्तव में क्वांटम स्थिति को नुकसान नहीं पहुंचाएगी। इसके विपरीत, एक सुपरकंडक्टिंग क्वबिट के साथ, क्वांटम स्थिति को एक बिंदु पर रखा जाता है, इसलिए यदि आपको उस बिंदु पर शोर मिलता है, तो स्थिति ख़राब हो जाती है। इसके विपरीत, हमारे पास त्रुटि सुधार या दोष सहनशीलता की एक डिग्री है जो हमारे टोपोलॉजिकल क्वबिट में निर्मित होती है।

किस बिंदु पर आप किसी समस्या को, उदाहरण के लिए, Microsoft के टोपोलॉजिकल क्वैबिट पर चलाने में सक्षम होंगे और फिर एक अलग प्रकार के क्वबिट का उपयोग करके प्रयोग दोहराएंगे, और सुनिश्चित करेंगे कि हमें समान आउटपुट मिले? 

मुझे अच्छा लगा कि आप इस दिशा में आगे बढ़ रहे हैं, और मुझे आपको यह बताते हुए खुशी हो रही है कि हम आज ऐसा कर सकते हैं। वास्तव में, यह एज़्योर क्वांटम की सुंदरता का हिस्सा है - यह लोगों को हमारी क्लाउड सेवा के माध्यम से कई क्वांटम कंप्यूटरों पर एक ही कोड चलाने का मौका प्रदान करता है। आप कोड का एक टुकड़ा लिख ​​सकते हैं - शायद यह Azure के एल्गोरिदम का एक छोटा सा उदाहरण है, शायद यह "हैलो वर्ल्ड" के क्वांटम समकक्ष है - और इसे कंपनियों द्वारा विकसित हार्डवेयर पर चला सकते हैं क्वांटिनम और आयनक्यू. वे दोनों आयन ट्रैप प्लेटफॉर्म हैं, लेकिन हम उनके साथ भी साझेदारी कर रहे हैं क्वांटम सर्किट इंक. (क्यूसीआई), जो एक सुपरकंडक्टिंग क्वबिट प्लेटफॉर्म का उपयोग करता है, और हमारे पास एक सिलिकॉन सेमीकंडक्टर-आधारित सुपरकंडक्टिंग क्वबिट प्लेटफॉर्म है रिगेटी कम्प्यूटिंग और एक तटस्थ-परमाणु क्वांटम-प्रोसेसर प्लेटफ़ॉर्म पास्कल, ये दोनों जल्द ही ऑनलाइन आएंगे।

तो यह Azure के माध्यम से पांच अलग-अलग क्वांटम-हार्डवेयर प्लेटफ़ॉर्म उपलब्ध हैं, और जो चीज़ वास्तव में अच्छी है वह है कोड के साथ आपका लचीलापन। आप अपना क्वांटम एल्गोरिदम इसमें लिख सकते हैं Q#, जो एल्गोरिथम विकास के लिए एक उच्च स्तरीय भाषा है. यह मेरी पसंद होगी, लेकिन आप अपने कोड के साथ भी आ सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि आपने पहले अपनी समस्या को IBM के किसी डिवाइस पर चलाया है और आपके पास उनका किस्किट कोड पहले से ही लिखा हुआ है, तो आप उस कोड को भी हमारे सिस्टम पर निष्पादित कर सकते हैं। आप पांच हार्डवेयर प्लेटफार्मों में से किसी एक का चयन कर सकते हैं और यह आपके लिए आपके द्वारा चुने गए "बैक एंड" के लिए कोड संकलित करेगा।

इसका मतलब है कि आप उन सभी बैक-एंड डिवाइस पर एक ही एप्लिकेशन चला सकते हैं और देख सकते हैं कि यह कैसा व्यवहार करता है। बेशक, इन उपकरणों में अलग-अलग आर्किटेक्चर, अलग-अलग कनेक्टिविटी और यहां तक ​​कि अलग-अलग संचालन गति और निष्ठाएं हैं। Azure के माध्यम से, आप उन सभी अंतरों और समानताओं के बारे में जान सकते हैं।

क्या आप अतिरिक्त हार्डवेयर प्लेटफ़ॉर्म लाने की योजना बना रहे हैं?

हां, हम वास्तव में पारिस्थितिकी तंत्र को विकसित करने के लिए समुदाय को शामिल करके क्वांटम कंप्यूटिंग का लोकतंत्रीकरण करने में विश्वास करते हैं। हमारे अधिकांश कोड और प्लेटफ़ॉर्म टूल ओपन सोर्स हैं, और साथ ही कई हार्डवेयर प्रदाताओं के साथ, हमारे पास हमारे भागीदारों से आने वाले विभिन्न प्रकार के सिम्युलेटर हैं। ये ऐसे प्रोग्राम हैं जो आपको निष्पादित करने से पहले यह पता लगाने में मदद करते हैं कि आपका कोड किसी दिए गए हार्डवेयर प्लेटफ़ॉर्म पर कैसे चलेगा। हमारे पास संसाधन अनुमानक भी हैं, जिनका उपयोग आप कर सकते हैं यदि आप जानना चाहते हैं कि मशीनों के बड़े होने के बाद किसी एल्गोरिदम को चलाने में आपको कितनी लागत आएगी, या आपको कितनी बड़ी मशीन की आवश्यकता होगी। 

इसे हम एक और रोमांचक विकास कहते हैं क्वांटम इंटरमीडिएट प्रतिनिधित्व (क्यूआईआर), जो आपको कोई भी उच्च-स्तरीय भाषा (अपनी पसंदीदा चुनें) लेने, उसे QIR पर मैप करने और किसी भी संख्या में बैक-एंड प्रदाताओं को भेजने की अनुमति देता है। हम इसे वैश्विक सॉफ़्टवेयर स्टैक में एक महत्वपूर्ण परत के रूप में देखते हैं, क्योंकि यह कुछ ऐसा है जो विभिन्न हार्डवेयर पर अनुवाद या मैपिंग में आसानी की सुविधा प्रदान करता है।

आप QIR को एक सार्वभौमिक मध्य-परत भाषा के रूप में सोच सकते हैं जो उच्च-स्तरीय भाषाओं और मशीनों के बीच संचार को सक्षम बनाती है। कई संगठन इसे पहले ही अपना चुके हैं. के माध्यम से इसे एक गठबंधन के हिस्से के रूप में विकसित किया गया है लिनक्स फाउंडेशन का संयुक्त विकास फाउंडेशन. वास्तव में, क्यूसीआई, क्वान्टिनम, रिगेटी, Nvidia और ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी सभी ने घोषणा की है कि वे QIR के माध्यम से अपने कंपाइलर बनाने जा रहे हैं।

और यह सब जिसे कहा जाता है उसका हिस्सा है LLVM, जो एक बहुत लोकप्रिय शास्त्रीय कंपाइलर ढांचा है, इसलिए यह आपको शास्त्रीय कंप्यूटिंग उद्योग से संकलन और अनुकूलन टूल का लाभ उठाने की अनुमति देता है। इससे सचमुच अनुवाद लिखने की लागत कम हो जाती है। अन्यथा, आपको हर भाषा के लिए हर बैकएंड पर नया कोड लिखना होगा, जो बहुत महंगा होगा।

क्वांटम बाज़ार अभी एक दिलचस्प चरण में है। ऐसा लगता है जैसे हर हफ्ते, नई क्वांटम कंपनियां लॉन्च हो रही हैं, लेकिन प्रौद्योगिकी के वास्तव में स्थापित होने से पहले ही यह भारी उछाल का दौर चल रहा है। क्या आप चिंतित हैं कि कोई हलचल होने वाली है?

मेरा मानना ​​है कि इस प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने और अपनी प्रगति में तेजी लाने के लिए हमें मेज पर कई दिमागों की आवश्यकता है। परंपरागत रूप से, इस प्रकार की प्रौद्योगिकी के साथ, प्रगति को दशकों में मापा जाएगा। ज़रा सोचिए कि ट्रांजिस्टर के आविष्कार से लेकर सेल फोन और आईफ़ोन तक पहुंचने में कितना समय लगा। हम क्वांटम कंप्यूटिंग के साथ ऐसा नहीं चाहते हैं। हम इसमें तेजी लाना चाहते हैं. 

मेरा मानना ​​है कि इस प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने और अपनी प्रगति में तेजी लाने के लिए हमें मेज पर कई दिमागों की आवश्यकता है

अच्छी खबर यह है कि हमें बड़े फायदे हैं - हमारे पास पहले से ही सॉफ्टवेयर और क्लासिकल कंप्यूटर हैं। हमारे पूर्ववर्तियों के पास यह मॉडल करने की क्षमता नहीं थी कि वे क्या कर रहे थे जब वे वैक्यूम ट्यूब से ट्रांजिस्टर से एकीकृत सर्किट की ओर बढ़ रहे थे। उनके पास मदद के लिए शास्त्रीय कंप्यूटर नहीं थे, जबकि हमारे पास वे हमारी उंगलियों पर हैं। जब मैं पारिस्थितिकी तंत्र को विकसित होते देखता हूं - अधिक कंपनियां, अधिक स्टार्ट-अप, अधिक विश्वविद्यालय डिग्री कार्यक्रम - तो मैं इसे ठीक उसी रूप में देखता हूं जिसकी हमें आवश्यकता है।

इसलिए इस बात पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय कि क्या हलचल होगी या "क्वांटम विंटर" होगी, मैं उन विचारकों को शामिल करने, उन नवप्रवर्तकों को मेज पर लाने और क्वांटम का लोकतंत्रीकरण करने पर ध्यान केंद्रित करता हूं ताकि हम जल्दी से समाधान निकाल सकें। यदि हम प्रगति दिखा रहे हैं, तो कोई बड़ी सर्दी नहीं होगी, और मेरा मानना ​​है कि हम उपकरणों और मशीनों से लेकर सॉफ्टवेयर और ऐप्स तक सभी क्षेत्रों में वह प्रगति कर सकते हैं।

क्या आपके मन में "क्यू-डे" की कोई तारीख है - यानी, वह दिन जब पहला व्यावहारिक कंप्यूटर ऑनलाइन आएगा?

क्वांटम कंप्यूटर पहले से ही ऑनलाइन हैं। वे Azure में हैं और आप उन तक पहुंच सकते हैं। लेकिन जिस दर से हम आगे बढ़ते हैं और क्वांटम लाभ तक पहुंचते हैं, वह हर किसी के संलग्न होने और कूदने पर निर्भर करता है। माइक्रोसॉफ्ट में, हम मशीन को बढ़ाने और प्लेटफ़ॉर्म को स्केल करने के लिए जितनी तेज़ी से दौड़ सकते हैं, दौड़ रहे हैं, लेकिन हम लोगों पर भी निर्भर हैं ऐसे एल्गोरिदम विकसित करना जिनके लिए कम क्वैबिट की आवश्यकता होती है - शायद एक बेहतर संकलन स्टैक बनाने के लिए इसमें कूदकर और क्यूआईआर का उपयोग करके। प्रगति दोनों तरफ से बदलाव लाने, मशीन में सुधार करने के साथ-साथ एल्गोरिदम की लागत को कम करने के बारे में है। यही वह समयरेखा बदल देगा और वह दिन जल्द ही आ जाएगा जब हम व्यावहारिक क्वांटम लाभ देखेंगे।