Krista Svorè, vicepresidente di Microsoft Quantum, parla con Tushna Commissariat del viaggio dell'azienda verso il vantaggio quantistico
In tutto il mondo, piccole e grandi aziende stanno correndo per sviluppare e lanciare tecnologie informatiche basate sulla fisica quantistica. Mentre i principi di base sono in vigore da alcuni decenni, i ricercatori, l'industria e i governi stanno tutti lavorando per costruire e ampliare i pratici computer quantistici, con l'azienda tecnologica statunitense Microsoft un attore chiave.
All'inizio di quest'anno, illustre ingegnere e capo del Il team Quantum di Microsoft, Krysta Svore, ha tenuto un discorso principale a The Economist Commercializing Quantum della rivista evento a Londra. In seguito ha raggiunto Mondo della fisica per discutere il percorso dell'azienda verso un sistema quantistico scalabile - dai qubit topologici, a Microsoft Azure piattaforma di cloud computing quantistico e partnership ibride, al mercato quantistico nel suo complesso.
Cosa sta facendo Microsoft nel mondo quantistico in questo momento?
Una delle domande che stiamo prendendo in considerazione è come accelerare il viaggio verso il vantaggio quantistico. Quello che intendo per vantaggio quantistico è, prima di tutto, che vogliamo essere in grado di risolvere problemi significativi e che contribuiranno a far progredire la nostra società. Ho una figlia e voglio cambiare il futuro per lei – non voglio lasciarle queste sfide erculee legate alla sostenibilità, al cambiamento climatico, all'energia e alla ricerca di modi migliori per utilizzare le risorse del nostro pianeta.
Con il calcolo quantistico, c'è la speranza di poter iniziare ad affrontare alcuni di questi problemi, ma non saremo in grado di farlo con un computer quantistico come macchina autonoma. Per capire come migliorare la fissazione dell'azoto o catturare l'anidride carbonica e convertirla in metanolo, ad esempio, è davvero necessaria una soluzione ibrida, che integri l'informatica quantistica in un supercomputer classico. Quindi questo è ciò su cui stiamo costruendo Microsoft con il nostro sistema Azure di cloud computing. Il nostro obiettivo è produrre un supercomputer ibrido, eterogeneo, alimentato dall'intelligenza artificiale e quantistico che porterà avanti soluzioni per questo tipo di problemi.
Stiamo anche pensando alla nostra piattaforma software. Studiamo gli algoritmi quantistici da anni, quindi abbiamo preso ciò che abbiamo imparato su come ottimizzarli e compilarli e abbiamo portato quella conoscenza sulla nostra piattaforma. In questo momento, con Azure, puoi provare piccoli problemi su un set diversificato di hardware reale fornito dai nostri vari partner. Ma puoi anche scrivere applicazioni, sviluppare il tuo codice, decidere quanto è grande un computer quantistico di cui avrai bisogno e capire come funzionerà insieme a uno classico. Puoi eseguire l'integrazione e iniziare subito il debug del codice, perché quel codice rimarrà valido man mano che le macchine si espandono e diventano completamente integrate con il cloud.
Qual è la tua visione su come arrivare a una scala in cui possiamo fare qualcosa di significativo con un computer quantistico?
Microsoft ha pensato alla scala fin dall'inizio. Abbiamo studiato algoritmi quantistici; abbiamo studiato la fisica; abbiamo lavorato sull'intera architettura di sistema dal software all'hardware. E quello che abbiamo imparato sulla scala è che dobbiamo chiedere qualcosa di diverso ai nostri qubit e alla nostra macchina quantistica.
Nel corso di decenni di ricerca, abbiamo identificato che una macchina di successo ha bisogno di tre caratteristiche chiave. Innanzitutto, deve essere della giusta dimensione. Il qubit deve essere abbastanza piccolo da poterne contenere un milione su un wafer, in modo che la macchina non finisca per avere le dimensioni di un grattacielo. Successivamente, deve essere la velocità giusta. La macchina deve essere abbastanza veloce in modo che quando si eseguono miliardi di operazioni, tutte possano essere completate nel giro di poche settimane, in modo tale che non si aspetti più di un mese per la soluzione end-to-end completa che combini classico e elementi quantistici. Infine, abbiamo bisogno di un qubit sufficientemente affidabile man mano che aumentiamo; uno che non consumerà tante risorse perché stiamo sfruttando le proprietà naturali e intrinseche dei qubit per correggere gli errori. Questo è ciò che ci consentirà di eseguire miliardi di operazioni.
In Microsoft, abbiamo identificato e progettato un qubit che riteniamo sia giusto sotto tutti questi aspetti: il qubit topologico. E negli ultimi mesi, abbiamo condiviso alcuni progressi davvero entusiasmanti che abbiamo fatto verso la creazione di questo qubit. In sostanza, abbiamo progettato dispositivi che dimostrano questa fisica molto sfuggente che è stata ipotizzata per circa un secolo, per cui i cosiddetti Le modalità zero di Majorana emergono alla fine dei cavi su scala nanometrica. Questa è una firma del tipo di fisica di cui abbiamo bisogno per dimostrare un qubit topologico, quindi è una pietra miliare molto significativa sia per la scienza che per costruire le fondamenta di cui abbiamo bisogno per dire: "Va bene, raggiungeremo un milione di qubit".
Dimmi di più su questo qubit topologico. Com'è quando si parla di robustezza? Deve essere a temperature criogeniche?
Sì, funziona a temperature criogeniche, quindi sotto questo aspetto è molto simile ad altri qubit del settore, come i qubit superconduttori. È in un frigorifero a diluizione e 100 mK è all'incirca l'intervallo di temperatura. In termini di robustezza, questo è qualcosa su cui lavoreremo per la nostra prossima dimostrazione. Ciò che abbiamo mostrato finora è la fisica fondamentale sottostante e le proprietà delle modalità zero di Majorana, ma ora dobbiamo creare un qubit da questo. Con questo intendo qualcosa con cui puoi eseguire operazioni; qualcosa che puoi controllare e leggere. Una volta fatto questo, saremo in grado di misurarlo e dire: “Okay, ecco la sua durata. Ecco quanto è coerente.
Ma la cosa meravigliosa del qubit topologico, e il motivo per cui ci dedichiamo così tanto, è che ha questa naturale protezione dagli errori che crediamo lo aiuterà a scalare. Questa proprietà deriva dal fatto che le informazioni codificate dal qubit sono, in un certo senso, suddivise in quattro modalità zero di Majorana, una a ciascuna estremità di due nanocavi. Se la natura cerca di disturbare solo uno di quei modi zero di Majorana, in realtà non danneggerà lo stato quantico. Al contrario, con un qubit superconduttore, lo stato quantico è mantenuto in un singolo punto, quindi se ricevi rumore in quel punto, lo stato decoera. A differenza di ciò, abbiamo un grado di correzione degli errori o tolleranza ai guasti che è integrato nel nostro qubit topologico.
A che punto sarai in grado di eseguire un problema, ad esempio, sui qubit topologici di Microsoft e quindi ripetere l'esperimento utilizzando un diverso tipo di qubit e assicurarti di ottenere lo stesso output?
Mi piace dove sei diretto con questo, e sono felice di dirti che possiamo farlo oggi. In effetti, questo fa parte della bellezza di Azure Quantum: offre alle persone la possibilità di eseguire lo stesso codice su più computer quantistici, attraverso il servizio cloud di cui disponiamo. Puoi scrivere un singolo pezzo di codice, forse è una piccola istanza dell'algoritmo di Azure, forse è l'equivalente quantistico di "hello world" ed eseguirlo su hardware sviluppato da aziende come Quantino ed IonQ. Queste sono entrambe piattaforme di trappola ionica, ma stiamo anche collaborando Circuiti quantistici Inc. (QCI), che utilizza una piattaforma qubit superconduttrice, e abbiamo una piattaforma qubit superconduttrice basata su semiconduttore di silicio da Rigetti Computing e una piattaforma di processore quantistico ad atomo neutro da Pascal, entrambi presto online.
Quindi sono disponibili cinque diverse piattaforme di hardware quantistico tramite Azure e ciò che è davvero interessante è la flessibilità che hai con il codice. Puoi scrivere il tuo algoritmo quantistico Q#, che è un linguaggio di alto livello per lo sviluppo di algoritmi. Sarebbe una mia scelta, ma puoi anche entrare con i tuoi codici. Ad esempio, se in precedenza hai eseguito il tuo problema su uno dei dispositivi IBM e hai il loro Qikit codice già scritto, allora puoi semplicemente eseguire anche quel codice sul nostro sistema. Puoi selezionare una qualsiasi delle cinque piattaforme hardware e compilerà il codice per te per qualsiasi "back-end" tu scelga.
Ciò significa che puoi eseguire la stessa applicazione su tutti quei dispositivi back-end e vedere come si comporta. Perché, ovviamente, questi dispositivi hanno architetture diverse, connettività diversa e persino velocità e fedeltà operative diverse. Tramite Azure puoi scoprire tutto su queste differenze e somiglianze.
Stai pensando di introdurre piattaforme hardware aggiuntive?
Sì, crediamo davvero nella democratizzazione dell'informatica quantistica coinvolgendo la comunità per far crescere l'ecosistema. Gran parte del nostro codice e degli strumenti della piattaforma sono open source e, oltre a più fornitori di hardware, abbiamo un'intera varietà di simulatori provenienti dai nostri partner. Questi sono programmi che ti aiutano a capire come il tuo codice verrà eseguito su una determinata piattaforma hardware, prima di eseguirlo. Abbiamo anche quelli che vengono chiamati stimatori di risorse, che puoi usare se vuoi sapere quanto ti costerà eseguire un algoritmo una volta che le macchine si ingrandiranno o quanto sarà grande una macchina di cui avrai bisogno.
Un ulteriore sviluppo entusiasmante è qualcosa che chiamiamo Rappresentazione quantistica intermedia (QIR), che ti consente di prendere qualsiasi linguaggio di alto livello (scegli il tuo preferito), mapparlo su QIR e inviarlo a qualsiasi numero di provider di back-end. Lo consideriamo un livello importante nello stack software globale, poiché è qualcosa che facilita la traduzione o la mappatura su hardware diverso.
Puoi pensare a QIR come a un linguaggio universale di livello intermedio che consente la comunicazione tra linguaggi e macchine di alto livello. Molte organizzazioni lo hanno già adottato. È stato sviluppato come parte di un'alleanza attraverso il Fondazione per lo sviluppo congiunto della Linux Foundation. Infatti, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia ed Oak Ridge National Laboratory hanno tutti annunciato che costruiranno i loro compilatori tramite QIR.
E fa tutto parte di ciò che viene chiamato LLVM, che è un framework di compilatore classico molto popolare, quindi consente di sfruttare gli strumenti di compilazione e ottimizzazione dell'industria informatica classica. Ciò riduce davvero i costi di scrittura delle traduzioni. Altrimenti, dovresti scrivere nuovo codice per ogni lingua su ogni back-end, il che sarebbe molto costoso.
Il mercato quantistico è in una fase interessante in questo momento. Sembra che ogni settimana vengano lanciate nuove aziende quantistiche, ma questa massiccia fase di boom sta avvenendo prima che la tecnologia si sia davvero affermata. Sei preoccupato che ci sarà un fallimento?
Credo che abbiamo bisogno di molte, molte menti al tavolo per far progredire questa tecnologia e accelerare i nostri progressi. Tradizionalmente, con questo tipo di tecnologia, i progressi sarebbero misurati in decenni. Basti pensare al tempo che ci è voluto per passare dall'invenzione del transistor all'avere cellulari e iPhone. Non lo vogliamo con il calcolo quantistico. Vogliamo velocizzarlo.
Credo che abbiamo bisogno di molte, molte menti al tavolo per far progredire questa tecnologia e accelerare i nostri progressi
La buona notizia è che abbiamo enormi vantaggi: abbiamo già software e computer classici. I nostri predecessori non avevano la capacità di modellare ciò che stavano facendo quando passavano dai tubi a vuoto ai transistor ai circuiti integrati. Non avevano i computer classici per aiutarli, mentre noi li abbiamo a portata di mano. Quando vedo crescere l'ecosistema – più aziende, più start-up, più corsi di laurea – lo vedo esattamente come ci serve.
Quindi, invece di concentrarmi sul fatto che ci sarà un fallimento o un "inverno quantico", mi concentro sul coinvolgimento di quei leader di pensiero, portando quegli innovatori al tavolo e democratizzando il quanto in modo da poter ottenere soluzioni rapidamente. Se stiamo mostrando progressi, non ci sarà nessun inverno quantico e credo che possiamo fare progressi in tutte le aree, dai dispositivi e dalle macchine al software e alle app.
Hai in mente una data per il "Q-day", ovvero il giorno in cui il primo computer pratico sarà online?
I computer quantistici sono già online. Sono in Azure e puoi accedervi. Ma la velocità con cui aumentiamo e raggiungiamo un vantaggio quantico dipende dal coinvolgimento e dal coinvolgimento di tutti. In Microsoft, stiamo correndo il più velocemente possibile per ingrandire la macchina e scalare la piattaforma, ma dipendiamo anche dalle persone sviluppando algoritmi che richiedono meno qubit, magari saltando dentro e usando QIR per creare uno stack di compilazione migliore. Il progresso consiste nel fare la differenza da entrambe le parti, migliorare la macchina e ridurre il costo degli algoritmi. Questo è ciò che cambierà la linea temporale e accelererà il giorno in cui vedremo un vantaggio quantico pratico.
