Krysta Svore, a Microsoft Quantum alelnöke a Tushna Commissariattal beszélget a vállalat kvantumelőnyök felé vezető útjáról
Világszerte kis- és nagyvállalatok versenyeznek a kvantumfizikán alapuló számítástechnikai technológiák fejlesztéséért és bevezetéséért. Míg az alapelvek már néhány évtizede érvényben vannak, a kutatók, az ipar és a kormányok mind gyakorlati kvantumszámítógépek építésén és bővítésén dolgoznak, és kulcsszerepet játszik az amerikai Microsoft technológiai cég.
Az év elején jeles mérnök és vezetője A Microsoft Quantum csapata, Krysta Svore, vitaindító előadást tartott a The Economist magazin Commercializing Quantum című kiadványa esemény Londonban. Később utolérte Fizika Világa megvitatni a cég útját a méretezhető kvantumrendszer felé – a topológiai kvbitektől a Microsoft Azure kvantumfelhő-számítási platform és hibrid partnerségek, a kvantumpiac egészére.
Mit csinál jelenleg a Microsoft a kvantumvilágban?
Az egyik kérdés, amelyet fontolgatunk, az, hogyan gyorsítsuk fel a kvantumelőnyhöz vezető utat. A kvantumelőny alatt mindenekelőtt azt akarjuk, hogy képesek legyünk olyan problémákat megoldani, amelyek értelmesek és elősegítik társadalmunk előrehaladását. Van egy lányom, és meg akarom változtatni a jövőjét – nem akarom neki hagyni ezeket a herkulesi kihívásokat, amelyek a fenntarthatósággal, az éghajlatváltozással, az energiával és a bolygónk erőforrásainak jobb felhasználásával kapcsolatosak.
A kvantumszámítástechnikával van remény arra, hogy meg tudjuk oldani ezeket a problémákat, de ezt nem fogjuk tudni megtenni egy kvantumszámítógép önálló gépként. Ahhoz, hogy kitaláljuk, hogyan lehet javítani a nitrogénkötést, vagy például a szén-dioxidot megkötni és metanollá alakítani, valóban szükségünk van egy hibrid megoldásra, amely a kvantumszámítást egy klasszikus szuperszámítógépbe integrálja. Tehát erre építünk Microsoft a felhőalapú számítástechnikai Azure rendszerünkkel. Célunk egy hibrid, heterogén, mesterséges intelligenciával működő, kvantum-meghajtású szuperszámítógép létrehozása, amely megoldásokat kínál az ilyen típusú problémákra.
A szoftverplatformunkon is gondolkodunk. Évek óta tanulmányozzuk a kvantumalgoritmusokat, ezért átvettük az optimalizálásukról és a fordításukról tanultakat, és ezt a tudást a platformunkra hoztuk. Az Azure-ral jelenleg a különféle partnereink által biztosított valódi hardverek változatos készletén próbálhatja ki a kisebb problémákat. De írhat alkalmazásokat, fejlesztheti kódját, eldöntheti, mekkora kvantumszámítógépre lesz szüksége, és kitalálhatja, hogyan fog működni egy klasszikus számítógép mellett. Elvégezheti ezt az integrációt, és megkezdheti a kód hibakeresését most, mert ez a kód továbbra is érvényes marad, amikor a gépek méreteződnek és teljesen integrálódnak a felhőbe.
Mi az elképzelése arról, hogyan juthatunk el egy olyan léptékig, ahol valami értelmeset tehetünk a kvantumszámítógéppel?
A Microsoft a kezdetektől fogva a léptéken gondolkodott. Tanulmányoztuk a kvantum algoritmusokat; tanultuk a fizikát; a szoftvertől a hardverig a teljes rendszerarchitektúrán dolgoztunk. A skáláról pedig azt tanultuk, hogy mást kell kérdeznünk a qubitjeinktől és a kvantumgépünktől.
Több évtizedes kutatás során megállapítottuk, hogy egy sikeres géphez három kulcsfontosságú tulajdonság szükséges. Először is megfelelő méretűnek kell lennie. A qubitnek elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy egy millió is elférjen egy ostyán, hogy a gép ne legyen akkora, mint egy felhőkarcoló. Ezután a megfelelő sebességnek kell lennie. A gépnek elég gyorsnak kell lennie ahhoz, hogy műveletek milliárdjainak lefuttatásakor mindegyik néhány hét alatt elkészüljön, így nem kell egy hónapnál tovább várnunk a teljes, végpontok közötti megoldásra, amely egyesíti a klasszikus és kvantum elemek. Végül szükségünk van egy qubitre, amely elég megbízható a méretezés során; olyan, amely nem fogyaszt annyi erőforrást, mert a természetes, belső qubit tulajdonságait használjuk ki a hibák kijavítására. Ez az, ami lehetővé teszi számunkra, hogy több milliárd műveletet hajtsunk végre.
A Microsoftnál azonosítottunk és megterveztünk egy qubitet, amely szerintünk minden szempontból megfelelő: a topológiai qubit. Az elmúlt néhány hónapban pedig megosztottunk néhány igazán izgalmas előrelépést, amit ennek a qubitnek a létrehozása felé tettünk. Lényegében olyan eszközöket terveztünk, amelyek demonstrálják ezt a nagyon megfoghatatlan, egy évszázada feltételezett fizikát, amivel ún. Majorana nulla üzemmódok jelennek meg a nanoméretű vezetékek végén. Ez annak a fizikatípusnak az aláírása, amelyre szükségünk van a topológiai qubit demonstrálásához, tehát nagyon jelentős mérföldkő mind a tudomány, mind az alapok felépítése szempontjából, és ki kell mondanunk: „Rendben, elérjük az egymillió qubitet.”
Mondjon többet erről a topológiai qubitről. Milyen a robusztusság? Kriogén hőmérsékleten kell lennie?
Igen, kriogén hőmérsékleten működik, tehát ebből a szempontból nagyon hasonlít néhány más kubithez az iparban, például a szupravezető qubitekhez. Hígítós hűtőszekrényben van, és 100 mK nagyjából a hőmérsékleti tartomány. Ami a robusztusságot illeti, ezen fogunk dolgozni a következő bemutatónkon. Amit eddig megmutattunk, az a mögöttes alapvető fizika és a Majorana zéró módok tulajdonságai, de most ebből egy qubitet kell létrehoznunk.. Ez alatt azt értem, amivel műveleteket végezhetsz; olyasvalamit, amit vezérelhet és felolvashat. Ha ezt megtesszük, meg tudjuk mérni, és azt mondjuk: „Rendben, itt az élettartama. Íme, mennyire koherens ez.”
De ami csodálatos a topológiai qubitben – és amiatt, hogy ennyit fektettünk bele – az az, hogy rendelkezik ezzel a természetes hibavédelemmel, amelyről úgy gondoljuk, hogy segít a méretezésében. Ez a tulajdonság abból a tényből fakad, hogy a qubit által kódolt információ bizonyos értelemben négy Majorana nulla üzemmódra oszlik, két nanovezeték mindkét végén egy-egy. Ha a természet megpróbálja megzavarni a Majorana zéró üzemmódok közül csak az egyiket, az valójában nem károsítja a kvantumállapotot. Ezzel szemben egy szupravezető qubit esetén a kvantumállapot egyetlen pontban van megtartva, tehát ha ezen a ponton zajt kap, az állapot dekoherálódik. Ettől eltérően van egy bizonyos fokú hibajavítás vagy hibatűrés, amely be van építve a topológiai qubitünkbe.
Mikor lesz képes egy problémát futtatni, mondjuk, a Microsoft topológiai qubitjein, majd megismételni a kísérletet egy másik típusú qubit használatával, és biztosítani fogja, hogy ugyanazt a kimenetet kapjuk?
Szeretem, merre tartasz ezzel, és örömmel jelenthetem, hogy ma megtehetjük ezt. Valójában ez is része az Azure Quantum szépségének – lehetőséget kínál az embereknek, hogy ugyanazt a kódot futtassák több kvantumszámítógépen a rendelkezésünkre álló felhőszolgáltatáson keresztül. Írhat egyetlen kódrészletet – talán ez az Azure algoritmusának egy kis példánya, esetleg a „hello world” kvantum megfelelője –, és futtathatja olyan hardveren, amelyet olyan cégek fejlesztettek ki, mint pl. Kvantinum és a Ionq. Mindkettő ioncsapda-platform, de együttműködünk velük is Quantum Circuits Inc. (QCI), amely szupravezető qubit platformot használ, és van egy szilícium félvezető alapú szupravezető qubit platformunk Rigetti számítástechnika és egy semleges atomból álló kvantumprocesszor platform Pascal, mindkettő hamarosan online is elérhető lesz.
Tehát ez öt különböző kvantumhardver platform érhető el az Azure-on keresztül, és ami igazán ügyes, az a kóddal kapcsolatos rugalmasság. Beírhatod a kvantum algoritmusodat Q#, amely egy magas szintű nyelv az algoritmusok fejlesztéséhez. Ez lenne az én választásom, de bejöhetsz a saját kódoddal is. Például, ha korábban már futtatta a problémát az IBM egyik eszközén, és rendelkezik azokkal Qiskit kódot már megírta, akkor egyszerűen végrehajthatja azt a kódot is a rendszerünkön. Kiválaszthatja az öt hardverplatform egyikét, és az Ön által választott „háttérbe” fordítja le a kódot.
Ez azt jelenti, hogy ugyanazt az alkalmazást futtathatja az összes háttéreszközön, és megnézheti, hogyan viselkedik. Természetesen ezek az eszközök eltérő architektúrával, különböző csatlakozási lehetőséggel, sőt eltérő működési sebességgel és pontossággal rendelkeznek. Az Azure-on keresztül mindent megtudhat ezekről a különbségekről és hasonlóságokról.
Tervezi-e további hardverplatformok bevezetését?
Igen, valóban hiszünk a kvantumszámítástechnika demokratizálásában azáltal, hogy bevonjuk a közösséget az ökoszisztéma növekedésébe. Kód- és platformeszközeink nagy része nyílt forráskódú, és több hardverszolgáltató mellett számos szimulátort is szállítunk partnereinktől. Ezek olyan programok, amelyek végrehajtása előtt segítenek meghatározni, hogy a kód hogyan fog futni egy adott hardverplatformon. Vannak úgynevezett erőforrás-becslőink is, amelyeket akkor használhatunk, ha tudni szeretnénk, hogy mennyibe kerül egy algoritmus futtatása, ha a gépek méreteződnek, vagy mekkora gépre lesz szüksége.
Egy további izgalmas fejleményt hívunk Kvantum Intermediate Representation (QIR), amely lehetővé teszi bármilyen magas szintű nyelv felvételét (kedvenced kiválasztását), QIR-re való leképezését és tetszőleges számú háttérszolgáltatónak történő elküldését. Ezt a globális szoftververem fontos rétegének tekintjük, mivel ez megkönnyíti a fordítást vagy a különböző hardverekre való leképezést.
A QIR egy univerzális középrétegű nyelvnek tekinthető, amely lehetővé teszi a magas szintű nyelvek és gépek közötti kommunikációt. Sok szervezet már elfogadta. Egy szövetség részeként fejlesztették ki a A Linux Alapítvány Közös Fejlesztési Alapítványa. Valójában a QCI, a Quantinuum, a Rigetti, Nvidia és a Oak Ridge Nemzeti Laboratórium mindannyian bejelentették, hogy fordítóikat a QIR-en keresztül fogják megépíteni.
És ez mind része annak, amit ún LLVM, amely egy nagyon népszerű klasszikus fordítói keretrendszer, így lehetővé teszi a klasszikus számítástechnikai ipar fordítási és optimalizálási eszközeinek kihasználását. Ez valóban csökkenti a fordítások megírásának költségeit. Ellenkező esetben minden nyelvhez új kódot kellene írnia minden háttérhez, ami nagyon drága lenne.
A kvantumpiac most egy érdekes szakaszban van. Úgy tűnik, minden héten indulnak új kvantumcégek, de ez a hatalmas fellendülési szakasz még azelőtt lezajlik, hogy a technológia valóban meghonosodott volna. Aggódsz amiatt, hogy mellszobor lesz?
Úgy gondolom, hogy sok-sok elmére van szükségünk az asztalhoz, hogy továbbfejlesszük ezt a technológiát és felgyorsítsuk fejlődésünket. Hagyományosan az ilyen típusú technológiával a fejlődést évtizedekben mérik. Gondoljunk csak arra, hogy mennyi időbe telt a tranzisztor feltalálásától a mobiltelefonok és iPhone-ok megalkotásáig. Ezt nem akarjuk a kvantumszámítással. Fel akarjuk gyorsítani.
Úgy gondolom, hogy sok-sok elmére van szükségünk az asztalhoz, hogy továbbfejlesszük ezt a technológiát és felgyorsítsuk fejlődésünket
A jó hír az, hogy óriási előnyeink vannak – már vannak szoftvereink és klasszikus számítógépeink. Elődeink nem tudták modellezni, mit csinálnak, amikor a vákuumcsövekről a tranzisztorokra az integrált áramkörökre tértek át. Nekik nem volt segítségükre a klasszikus számítógép, nekünk viszont kéznél vannak. Amikor látom, hogy az ökoszisztéma növekszik – több cég, több induló vállalkozás, több egyetemi képzés –, pontosan úgy tekintek rá, mint amire szükségünk van.
Tehát ahelyett, hogy arra koncentrálnék, hogy lesz-e csőd vagy „kvantumtél”, inkább arra koncentrálok, hogy bevonjam ezeket a gondolatvezetőket, terítsem az újítókat, és demokratizáljam a kvantumokat, hogy gyorsan megoldást találhassunk. Ha fejlődést mutatunk, nem lesz kvantumtél, és úgy gondolom, hogy ezt a fejlődést minden területen elérhetjük, az eszközöktől és gépektől a szoftverekig és alkalmazásokig.
Van egy dátum a „Q-napra” – vagyis arra a napra, amikor az első praktikus számítógép online lesz?
A kvantumszámítógépek már online vannak. Az Azure-ban vannak, és Ön elérheti őket. De az a sebesség, amellyel növeljük és elérjük a kvantumelőnyöket, attól függ, hogy mindenki bekapcsolódik-e és beszáll-e. A Microsoftnál a lehető leggyorsabban fejlesztjük a gépet és a platformot, de az emberektől is függünk. olyan algoritmusok fejlesztése, amelyek kevesebb qubitet igényelnek – talán úgy, hogy beugrunk és QIR-t használunk egy jobb fordítási verem létrehozásához. A haladás arról szól, hogy mindkét oldalról különbséget tegyünk, javítsuk a gépet, valamint csökkentsük az algoritmusok költségeit. Ez az, ami megváltoztatja az idővonalat, és felgyorsítja a napot, amikor gyakorlati kvantumelőnyöket fogunk látni.
