Krysta Bersumpah, wakil presiden Microsoft Quantum, berbicara dengan Komisariat Tushna tentang perjalanan perusahaan menuju keunggulan kuantum
Di seluruh dunia, perusahaan kecil dan besar berlomba untuk mengembangkan dan meluncurkan teknologi komputasi berdasarkan fisika kuantum. Meskipun prinsip-prinsip dasar ini telah diterapkan selama beberapa dekade, para peneliti, industri, dan pemerintah berupaya membangun dan memperluas komputer kuantum praktis, dengan perusahaan teknologi AS, Microsoft, sebagai pemain kuncinya.
Awal tahun ini, insinyur dan kepala terkemuka Tim Quantum Microsoft, Krysta Svore, menyampaikan keynote di The Economist Komersialisasi Quantum majalah acara di London. Dia kemudian menyusul Dunia Fisika untuk membahas jalur perusahaan menuju sistem kuantum yang dapat diskalakan – mulai dari qubit topologi, hingga Microsoft Azure platform komputasi awan kuantum dan kemitraan hibrid, hingga pasar kuantum secara keseluruhan.
Apa yang sedang dilakukan Microsoft di dunia kuantum saat ini?
Salah satu pertanyaan yang kami pertimbangkan adalah bagaimana mempercepat perjalanan menuju keunggulan kuantum. Yang saya maksud dengan keunggulan kuantum adalah, pertama-tama, kita ingin mampu memecahkan masalah-masalah yang bermakna dan akan membantu memajukan masyarakat kita. Saya mempunyai seorang putri, dan saya ingin mengubah masa depannya – Saya tidak ingin meninggalkannya dengan tantangan besar yang berkaitan dengan keberlanjutan, perubahan iklim, energi, dan menemukan cara yang lebih baik untuk menggunakan sumber daya di planet kita.
Dengan komputasi kuantum, ada harapan bahwa kita dapat mulai mengatasi beberapa masalah ini, namun kita tidak akan mampu melakukannya dengan komputer kuantum sebagai mesin yang berdiri sendiri. Untuk mengetahui cara meningkatkan fiksasi nitrogen, atau menangkap karbon dioksida dan mengubahnya menjadi metanol, misalnya, Anda benar-benar memerlukan solusi hybrid, yang mengintegrasikan komputasi kuantum ke dalam superkomputer klasik. Jadi itulah yang sedang kami bangun Microsoft dengan sistem Azure komputasi awan kami. Kami bertujuan untuk menghasilkan superkomputer hybrid, heterogen, bertenaga AI, dan bertenaga kuantum yang akan memberikan solusi untuk jenis masalah ini.
Kami juga memikirkan platform perangkat lunak kami. Kami telah mempelajari algoritme kuantum selama bertahun-tahun, jadi kami mengambil apa yang telah kami pelajari tentang cara mengoptimalkan dan mengompilasinya, dan membawa pengetahuan tersebut ke platform kami. Saat ini, dengan Azure, Anda dapat mencoba masalah kecil pada beragam perangkat keras nyata yang disediakan oleh berbagai mitra kami. Namun Anda juga dapat menulis aplikasi, mengembangkan kode, memutuskan seberapa besar komputer kuantum yang Anda perlukan, dan mencari tahu bagaimana komputer tersebut akan beroperasi bersama komputer klasik. Anda dapat melakukan integrasi tersebut dan mulai melakukan debug kode sekarang, karena kode tersebut akan tetap valid seiring peningkatan skala mesin dan integrasi penuh dengan cloud.
Apa visi Anda tentang bagaimana kita dapat mencapai skala di mana kita dapat melakukan sesuatu yang berarti dengan komputer kuantum?
Microsoft telah memikirkan skala sejak awal. Kami telah mempelajari algoritma kuantum; kami telah mempelajari fisika; kami telah mengerjakan keseluruhan arsitektur sistem mulai dari perangkat lunak hingga perangkat keras. Dan apa yang telah kita pelajari tentang skala adalah kita perlu menanyakan sesuatu yang berbeda pada qubit dan mesin kuantum kita.
Selama penelitian selama beberapa dekade, kami telah mengidentifikasi bahwa mesin yang sukses memerlukan tiga karakteristik utama. Pertama, ukurannya harus tepat. Qubit harus cukup kecil sehingga Anda dapat memuat satu juta qubit dalam satu wafer, sehingga mesin tersebut tidak akan berukuran sebesar gedung pencakar langit. Selanjutnya, kecepatannya harus tepat. Mesin tersebut harus cukup cepat sehingga ketika Anda menjalankan miliaran operasi, semuanya dapat diselesaikan dalam hitungan minggu, sehingga kita tidak perlu menunggu lebih dari sebulan untuk mendapatkan solusi menyeluruh yang menggabungkan solusi klasik dan elemen kuantum. Yang terakhir, kita memerlukan qubit yang cukup andal saat kita melakukan peningkatan; salah satu yang tidak akan menghabiskan banyak sumber daya karena kita memanfaatkan properti qubit intrinsik alami untuk memperbaiki kesalahan. Hal itulah yang memungkinkan kami menjalankan miliaran operasi.
Di Microsoft, kami telah mengidentifikasi dan merancang qubit yang menurut kami tepat dalam semua hal tersebut: qubit topologi. Dan dalam beberapa bulan terakhir, kami telah membagikan beberapa kemajuan menarik yang telah kami capai dalam pembuatan qubit ini. Intinya, kami telah merekayasa perangkat yang menunjukkan fisika yang sangat sulit dipahami yang telah dihipotesiskan selama satu abad, yang disebut dengan Mode nol Majorana muncul di ujung kabel skala nano. Ini adalah ciri khas dari jenis fisika yang kita perlukan untuk mendemonstrasikan qubit topologi, jadi ini merupakan tonggak sejarah yang sangat signifikan baik bagi sains maupun untuk membangun fondasi. Kita perlu mengatakan, “Oke, kita akan mencapai satu juta qubit.”
Ceritakan lebih banyak tentang qubit topologi ini. Bagaimana rasanya jika menyangkut ketahanan? Apakah harus pada suhu kriogenik?
Ya, ia beroperasi pada suhu kriogenik, sehingga dalam hal ini ia sangat mirip dengan beberapa qubit lain di industri, seperti qubit superkonduktor. Itu ada di lemari es pengenceran, dan 100 mK kira-kira merupakan kisaran suhu. Dalam hal ketahanan, ini adalah sesuatu yang akan kami kerjakan untuk demonstrasi berikutnya. Apa yang telah kami tunjukkan sejauh ini adalah fisika fundamental yang mendasari dan properti mode nol Majorana, namun sekarang kami perlu membuat qubit darinya.. Yang saya maksud adalah sesuatu yang dapat Anda gunakan untuk melakukan operasi; sesuatu yang dapat Anda kendalikan dan bacakan. Setelah kita melakukannya, kita akan bisa mengukurnya dan berkata, “Oke, ini masa pakainya. Inilah betapa koherennya.”
Namun hal yang luar biasa tentang qubit topologi – dan alasan kami berinvestasi di dalamnya – adalah ia memiliki perlindungan kesalahan alami yang kami yakini akan membantunya berkembang. Properti ini berasal dari fakta bahwa informasi yang dikodekan oleh qubit, dalam arti tertentu, terbagi menjadi empat mode nol Majorana, satu di setiap ujung dua kawat nano. Jika alam mencoba mengganggu salah satu mode nol Majorana saja, hal itu tidak akan merusak keadaan kuantum. Sebaliknya, dengan qubit superkonduktor, keadaan kuantum dipertahankan pada satu titik, jadi jika Anda mendapatkan noise pada titik tersebut, keadaan tersebut akan terdekoherensi. Berbeda dengan itu, kami memiliki tingkat koreksi kesalahan atau toleransi kesalahan yang dibangun dalam qubit topologi kami.
Pada titik manakah Anda dapat menjalankan masalah pada, katakanlah, qubit topologi Microsoft dan kemudian mengulangi percobaan menggunakan jenis qubit yang berbeda, dan memastikan kita mendapatkan keluaran yang sama?
Saya menyukai tujuan Anda dalam hal ini, dan dengan senang hati saya memberi tahu Anda bahwa kita dapat melakukannya hari ini. Faktanya, itulah bagian dari keindahan Azure Quantum – ia menawarkan kesempatan kepada orang-orang untuk menjalankan kode yang sama di beberapa komputer kuantum, melalui layanan cloud yang kami miliki. Anda dapat menulis satu bagian kode – mungkin itu adalah contoh kecil dari algoritma Azure, mungkin itu setara dengan kuantum “hello world” – dan menjalankannya pada perangkat keras yang dikembangkan oleh perusahaan seperti kuantum dan ionQ. Keduanya merupakan platform perangkap ion, namun kami juga bermitra dengannya Quantum Circuits Inc., yang menggunakan platform qubit superkonduktor, dan kami memiliki platform qubit superkonduktor berbasis semikonduktor silikon dari Komputasi Rigetti dan platform prosesor kuantum atom netral dari Pascal, keduanya akan segera online.
Jadi itulah lima platform perangkat keras kuantum berbeda yang tersedia melalui Azure, dan yang paling menarik adalah fleksibilitas yang Anda miliki dengan kodenya. Anda dapat menulis algoritma kuantum Anda Q#, yang merupakan bahasa tingkat tinggi untuk pengembangan algoritma. Itu akan menjadi pilihan saya, tetapi Anda juga bisa masuk dengan kode Anda sendiri. Misalnya, jika sebelumnya Anda pernah mengalami masalah pada salah satu perangkat IBM dan Anda mengalami masalah tersebut Qikit kode sudah ditulis, maka Anda cukup mengeksekusi kode itu juga di sistem kami. Anda dapat memilih salah satu dari lima platform perangkat keras dan itu akan mengkompilasi kode untuk Anda ke “back end” mana pun yang Anda pilih.
Artinya, Anda dapat menjalankan aplikasi yang sama di semua perangkat back-end tersebut dan melihat perilakunya. Karena tentu saja, perangkat-perangkat ini memiliki arsitektur yang berbeda, konektivitas yang berbeda, dan bahkan kecepatan serta ketelitian pengoperasian yang berbeda. Melalui Azure, Anda dapat mempelajari semua perbedaan dan persamaan tersebut.
Apakah Anda berencana untuk menghadirkan platform perangkat keras tambahan?
Ya, kami sangat percaya pada demokratisasi komputasi kuantum dengan melibatkan komunitas untuk mengembangkan ekosistem. Sebagian besar kode dan alat platform kami bersifat open source, dan selain beberapa penyedia perangkat keras, kami memiliki beragam simulator yang berasal dari mitra kami. Ini adalah program yang membantu Anda mengetahui bagaimana kode Anda akan berjalan pada platform perangkat keras tertentu, sebelum Anda menjalankannya. Kami juga memiliki apa yang disebut penaksir sumber daya, yang dapat Anda gunakan jika Anda ingin mengetahui berapa biaya yang harus dikeluarkan untuk menjalankan suatu algoritma setelah mesin ditingkatkan skalanya, atau seberapa besar mesin yang Anda perlukan.
Perkembangan lebih lanjut yang menarik adalah sesuatu yang kami sebut Representasi Menengah Kuantum (QIR), yang memungkinkan Anda menggunakan bahasa tingkat tinggi apa pun (pilih favorit Anda), memetakannya ke QIR dan mengirimkannya ke sejumlah penyedia back-end. Kami melihat ini sebagai lapisan penting dalam tumpukan perangkat lunak global, karena ini adalah sesuatu yang memfasilitasi kemudahan penerjemahan atau pemetaan ke perangkat keras yang berbeda.
Anda dapat menganggap QIR sebagai bahasa lapisan menengah universal yang memungkinkan komunikasi antara bahasa dan mesin tingkat tinggi. Banyak organisasi telah mengadopsinya. Ini telah dikembangkan sebagai bagian dari aliansi melalui Yayasan Pengembangan Bersama Linux Foundation. Faktanya, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia dan Laboratorium Nasional Oak Ridge semuanya telah mengumumkan bahwa mereka akan membuat kompilernya melalui QIR.
Dan itu semua adalah bagian dari apa yang disebut LLVM, yang merupakan kerangka kompiler klasik yang sangat populer, sehingga memungkinkan Anda memanfaatkan alat kompilasi dan pengoptimalan dari industri komputasi klasik. Ini benar-benar menghemat biaya penulisan terjemahan. Jika tidak, Anda harus menulis kode baru untuk setiap bahasa di setiap back end, yang akan sangat mahal.
Pasar kuantum berada pada tahap yang menarik saat ini. Tampaknya setiap minggu ada perusahaan-perusahaan kuantum baru yang diluncurkan, namun fase booming besar-besaran ini terjadi sebelum teknologi tersebut benar-benar berkembang. Apakah Anda khawatir akan terjadi kegagalan?
Saya yakin kita memerlukan banyak sekali pemikiran untuk memajukan teknologi ini dan mempercepat kemajuan kita. Secara tradisional, dengan jenis teknologi ini, kemajuan akan diukur dalam beberapa dekade. Bayangkan saja waktu yang diperlukan untuk beralih dari penemuan transistor hingga memiliki ponsel dan iPhone. Kami tidak menginginkan hal itu terjadi pada komputasi kuantum. Kami ingin mempercepatnya.
Saya yakin kita memerlukan banyak sekali pemikiran untuk memajukan teknologi ini dan mempercepat kemajuan kita
Kabar baiknya adalah kita mempunyai keuntungan besar – kita sudah memiliki perangkat lunak dan komputer klasik. Pendahulu kita tidak memiliki kemampuan untuk memodelkan apa yang mereka lakukan ketika mereka berpindah dari tabung vakum ke transistor ke sirkuit terpadu. Mereka tidak memiliki komputer klasik untuk membantu mereka, sedangkan kita memilikinya di ujung jari kita. Ketika saya melihat ekosistem ini bertumbuh – semakin banyak perusahaan, semakin banyak start-up, semakin banyak program gelar universitas – saya melihatnya sebagai hal yang kita butuhkan.
Jadi, alih-alih fokus pada apakah akan terjadi kegagalan atau “musim dingin kuantum”, saya fokus untuk melibatkan para pemimpin pemikiran tersebut, mengajak para inovator tersebut ke meja perundingan, dan mendemokratisasi kuantum sehingga kita bisa mendapatkan solusi dengan cepat. Jika kita menunjukkan kemajuan, tidak akan ada musim dingin kuantum, dan saya yakin kita bisa mencapai kemajuan tersebut di semua bidang, mulai dari perangkat dan mesin hingga perangkat lunak dan aplikasi.
Apakah Anda sudah memikirkan tanggal “Q-day” – yaitu hari ketika komputer praktis pertama kali online?
Komputer kuantum sudah online. Mereka ada di Azure dan Anda dapat mengaksesnya. Namun kecepatan kami meningkatkan dan mencapai keunggulan kuantum bergantung pada semua orang yang terlibat dan ikut serta. Di Microsoft, kami berlari secepat yang kami bisa untuk meningkatkan mesin dan menskalakan platform, namun kami juga bergantung pada manusia mengembangkan algoritme yang membutuhkan lebih sedikit qubit – mungkin dengan terjun dan menggunakan QIR untuk membuat tumpukan kompilasi yang lebih baik. Kemajuan adalah tentang membuat perbedaan dari kedua sisi, meningkatkan mesin serta menurunkan biaya algoritma. Hal itulah yang akan mengubah garis waktu dan mempercepat hari ketika kita akan melihat manfaat kuantum praktis.
