דמוקרטיזציה של המערכת האקולוגית הקוונטית: קריסטה סבור של מיקרוסופט בדרך למחשב קוונטי ניתן להרחבה

ברחבי העולם, חברות קטנות וגדולות דוהרות לפתח ולהשיק טכנולוגיות מחשוב המבוססות על פיזיקת קוונטים. בעוד העקרונות הבסיסיים קיימים כבר כמה עשורים, חוקרים, תעשיה וממשלות פועלים כולם לבנייה והרחבה של מחשבים קוונטיים מעשיים, כאשר חברת הטכנולוגיה האמריקאית מיקרוסופט היא שחקן מפתח. 

מוקדם יותר השנה, מהנדס מכובד וראש צוות הקוונטים של מיקרוסופט, Krysta Svore, נשא נאום מרכזי ב הכלכלן ה-Commercializing Quantum של המגזין אירוע בלונדון. מאוחר יותר היא השיגה עולם הפיזיקה לדון בנתיב של החברה לעבר מערכת קוונטית ניתנת להרחבה - מקיוביטים טופולוגיים ועד Azure של מיקרוסופט פלטפורמת מחשוב ענן קוונטי ושותפויות היברידיות, לשוק הקוונטי בכללותו. 

מה מיקרוסופט עושה בעולם הקוונטי כרגע?

אחת השאלות שאנו שוקלים היא כיצד להאיץ את המסע ליתרון קוונטי. מה שאני מתכוון ליתרון קוונטי הוא, קודם כל, שאנחנו רוצים להיות מסוגלים לפתור בעיות בעלות משמעות ויעזרו להניע את החברה שלנו קדימה. יש לי בת, ואני רוצה לשנות את העתיד עבורה - אני לא רוצה להשאיר לה את האתגרים הרקוליאניים האלה הקשורים לקיימות, שינויי אקלים, אנרגיה ומציאת דרכים טובות יותר להשתמש במשאבים על הפלנטה שלנו. 

עם מחשוב קוונטי, יש תקווה שנוכל להתחיל לטפל בחלק מהבעיות הללו, אבל לא נוכל לעשות זאת עם מחשב קוונטי כמכונה עצמאית. כדי להבין איך לשפר את קיבוע החנקן, או ללכוד פחמן דו חמצני ולהמיר אותו למתנול, למשל, אתה באמת צריך פתרון היברידי, כזה שמשלב מחשוב קוונטי במחשב על קלאסי. אז בשביל זה אנחנו בונים מיקרוסופט עם מערכת מחשוב ענן Azure שלנו. אנו שואפים לייצר מחשב-על היברידי, הטרוגני, מופעל בינה מלאכותית, מופעל קוונטי, שיביא פתרונות לבעיות מסוג זה. 

אנחנו גם חושבים על פלטפורמת התוכנה שלנו. אנחנו לומדים אלגוריתמים קוונטיים במשך שנים, אז לקחנו את מה שלמדנו על איך לייעל ולהרכיב אותם, והבאנו את הידע הזה לפלטפורמה שלנו. נכון לעכשיו, עם Azure, אתה יכול לנסות בעיות קטנות במערך מגוון של חומרה אמיתית שמסופקת על ידי השותפים השונים שלנו. אבל אתה יכול גם לכתוב אפליקציות, לפתח את הקוד שלך, להחליט כמה גדול תצטרך מחשב קוונטי ולחשוב איך הוא יפעל לצד מחשב קלאסי. אתה יכול לבצע את האינטגרציה הזו ולהתחיל לנפות באגים בקוד כעת, מכיוון שהקוד הזה יישאר תקף ככל שהמכונות יגדלו וישתלבו במלואן עם הענן.

מה החזון שלך לגבי איך אנחנו מגיעים לקנה מידה שבו נוכל לעשות משהו משמעותי עם מחשב קוונטי?

מיקרוסופט חשבה על קנה מידה מההתחלה. למדנו אלגוריתמים קוונטיים; למדנו את הפיזיקה; עבדנו על כל ארכיטקטורת המערכת מתוכנה ועד חומרה. ומה שלמדנו על קנה מידה הוא שאנחנו צריכים לשאול משהו שונה מהקווביטים שלנו וממכונת הקוונטים שלנו. 

במשך עשרות שנים של מחקר, זיהינו שמכונה מצליחה זקוקה לשלושה מאפיינים מרכזיים. ראשית, זה צריך להיות בגודל הנכון. הקיוביט צריך להיות קטן מספיק כדי שתוכל להכניס מיליון על רקיק, כדי שהמכונה לא תהיה בסופו של דבר בגודל של גורד שחקים. בשלב הבא, זה צריך להיות במהירות הנכונה. המכונה צריכה להיות מהירה מספיק כדי שכאשר אתה מפעיל מיליארדי פעולות, כולן יכולות להסתיים תוך מספר שבועות, כך שלא נחכה יותר מחודש לפתרון המלא מקצה לקצה בשילוב קלאסי ו יסודות קוונטיים. לבסוף, אנחנו צריכים קיוביט שהוא מספיק אמין כשאנחנו מתרחבים; כזה שלא יצרוך כל כך הרבה משאבים מכיוון שאנו מנצלים את היתרונות של מאפייני קיוביט טבעיים, מהותיים כדי לתקן שגיאות. זה מה שיאפשר לנו לנהל מיליארדי פעולות. 

ב-Microsoft, זיהינו ועיצבנו קיוביט שלדעתנו מתאים בדיוק בכל הנקודות הללו: הקיוביט הטופולוגי. ובמהלך החודשים האחרונים, שיתפנו כמה התקדמות ממש מרגשת שעשינו לקראת יצירת הקיוביט הזה. בעיקרו של דבר, הנדסנו מכשירים המדגימים את הפיזיקה החמקמקה הזו, שהשערה לגביה כבר מאה שנה, לפיה מה שנקרא מצבי אפס של Majorana מופיעים בקצה חוטים ננומטריים. זוהי חתימה של סוג הפיזיקה שאנו צריכים כדי להדגים קיוביט טופולוגי, כך שזו אבן דרך משמעותית מאוד הן עבור המדע והן עבור בניית הבסיס שאנו צריכים לומר, "אוקיי, נגיע למיליון קיוביטים." 

ספר לי עוד על הקיוביט הטופולוגי הזה. איך זה כשזה מגיע לחוסן? האם זה צריך להיות בטמפרטורות קריוגניות?

כן, הוא פועל בטמפרטורות קריוגניות, כך שמבחינה זו הוא דומה מאוד לכמה קיוביטים אחרים בתעשייה, כמו קיוביטים מוליכים-על. זה במקרר דילול, ו-100mK הוא בערך טווח הטמפרטורות. מבחינת חוסן, זה משהו שנעבוד עליו בהדגמה הבאה שלנו. מה שהראינו עד כה הוא הפיזיקה הבסיסית והמאפיינים של מצבי אפס מיורנה, אבל עכשיו אנחנו צריכים ליצור קווביט מזה. בכך אני מתכוון למשהו שאפשר לבצע איתו פעולות; משהו שאתה יכול לשלוט בו ולקרוא. ברגע שנעשה את זה, נוכל למדוד את זה ולומר, "אוקיי, הנה חייו. הנה כמה זה קוהרנטי." 

אבל מה שנפלא בקיוביט הטופולוגי - והסיבה שאנחנו כל כך משקיעים בו - היא שיש לו את הגנת השגיאה הטבעית הזו שאנו מאמינים שתעזור לו להגדיל אותו. תכונה זו נובעת מהעובדה שהמידע שהקיוביט מקודד מפוצל, במובן מסוים, על פני ארבעה מצבי אפס של Majorana, אחד בכל קצה של שני ננו-חוטים. אם הטבע ינסה להפריע רק לאחד מאותם מצבי אפס מיורנה, זה לא ממש יפגע במצב הקוונטי. לעומת זאת, עם קיוביט מוליך-על, המצב הקוונטי מתקיים בנקודה אחת, כך שאם אתה מקבל רעש בנקודה זו, המצב מתפרק. בניגוד לזה, יש לנו מידה של תיקון שגיאות או סובלנות לתקלות המובנית בקווביט הטופולוגי שלנו.

באיזה שלב תוכל להריץ בעיה על, למשל, הקיוביטים הטופולוגיים של מיקרוסופט ואז לחזור על הניסוי באמצעות קיוביט מסוג אחר, ולהבטיח שנקבל את אותו פלט? 

אני אוהב לאן פניך מועדות עם זה, ואני שמח לומר לך שאנחנו יכולים לעשות את זה היום. למעשה, זה חלק מהיופי של Azure Quantum - הוא מציע לאנשים את ההזדמנות להריץ את אותו קוד על מספר מחשבים קוונטיים, דרך שירות הענן שיש לנו. אתה יכול לכתוב קטע קוד בודד - אולי זה מופע קטן של האלגוריתם של Azure, אולי זה המקבילה הקוונטית של "שלום עולם" - ולהפעיל אותו על חומרה שפותחה על ידי חברות כמו קוונטיום ו IonQ. שתיהן פלטפורמות מלכודת יונים, אבל אנחנו גם משתפים פעולה Quantum Circuits Inc. (QCI), שמשתמשת בפלטפורמת קיוביט מוליכי על, ויש לנו פלטפורמת קיוביט מוליכים-על מבוססת סיליקון מ- מחשוב ריגטי ופלטפורמת מעבד קוונטי נייטרלי מאטום מ פסקל, שניהם יגיעו לרשת בקרוב.

אז זה חמש פלטפורמות שונות של חומרה קוונטית הזמינות דרך Azure, ומה שבאמת מסודר הוא הגמישות שיש לך עם הקוד. אתה יכול לכתוב את האלגוריתם הקוונטי שלך Q#, שהיא שפה ברמה גבוהה לפיתוח אלגוריתמים. זו תהיה הבחירה שלי, אבל אתה יכול גם לבוא עם קודים משלך. לדוגמה, אם הפעלת בעבר את הבעיה שלך באחד מהמכשירים של יבמ ויש לך אותם קיסקיט הקוד כבר נכתב, אז אתה יכול פשוט להפעיל את הקוד הזה גם במערכת שלנו. אתה יכול לבחור כל אחת מחמש פלטפורמות החומרה והיא תרכיב עבורך את הקוד לכל "קצה אחורי" שתבחר.

זה אומר שאתה יכול להפעיל את אותה אפליקציה בכל אותם מכשירי קצה ולראות איך הוא מתנהג. כי כמובן, למכשירים הללו יש ארכיטקטורות שונות, קישוריות שונה ואפילו מהירויות פעולה ואמינות שונות. דרך Azure, אתה יכול ללמוד הכל על ההבדלים והדמיון.

האם אתה מתכנן להביא פלטפורמות חומרה נוספות?

כן, אנחנו באמת מאמינים בדמוקרטיזציה של מחשוב קוונטי על ידי הכנסת הקהילה כדי להצמיח את המערכת האקולוגית. חלק גדול מכלי הקוד והפלטפורמה שלנו הם קוד פתוח, כמו גם מספר ספקי חומרה, יש לנו מגוון שלם של סימולטורים המגיעים מהשותפים שלנו. אלו הן תוכנות שעוזרות לך להבין כיצד הקוד שלך יפעל על פלטפורמת חומרה נתונה, לפני שאתה מפעיל אותו. יש לנו גם מה שנקרא אומדני משאבים, שבהם אתה יכול להשתמש אם אתה רוצה לדעת כמה אלגוריתם יעלה לך להפעיל ברגע שהמכונות יגדלו, או כמה גדולה מכונה תצטרך. 

התפתחות מרגשת נוספת היא משהו שאנו קוראים לו ייצוג ביניים קוונטי (QIR), המאפשר לך לקחת כל שפה ברמה גבוהה (בחר את המועדף עליך), למפות אותה ל-QIR ולשלוח אותה לכל מספר של ספקי קצה. אנו רואים בכך שכבה חשובה בערימת התוכנה העולמית, מכיוון שזה משהו שמקל על תרגום או מיפוי על חומרה שונה.

אתה יכול לחשוב על QIR כעל שפת שכבת ביניים אוניברסלית המאפשרת תקשורת בין שפות ומכונות ברמה גבוהה. ארגונים רבים כבר אימצו את זה. זה פותח כחלק מברית דרך ה הקרן לפיתוח משותף של קרן לינוקס. למעשה, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia ו המעבדה הלאומית של אוק רידג ' כולם הודיעו שהם הולכים לבנות את המהדרים שלהם באמצעות QIR.

וזה הכל חלק ממה שנקרא Llvm, שהיא מסגרת מהדר קלאסית מאוד פופולרית, כך שהיא מאפשרת לך למנף כלי קומפילציה ואופטימיזציה מתעשיית המחשוב הקלאסי. זה באמת מוזיל את העלות של כתיבת תרגומים. אחרת, תצטרך לכתוב קוד חדש עבור כל שפה לכל קצה אחורי, וזה יהיה יקר מאוד.

השוק הקוונטי נמצא כעת בשלב מעניין. נראה שבכל שבוע יש חברות קוונטיות חדשות שמשיקות, אבל שלב הפריחה המאסיבי הזה מתרחש לפני שהטכנולוגיה באמת התבססה. האם אתה מודאג מכך שהולך להיות פסל?

אני מאמין שאנחנו צריכים הרבה מאוד מוחות ליד השולחן כדי לקדם את הטכנולוגיה הזו ולהאיץ את ההתקדמות שלנו. באופן מסורתי, עם סוג זה של טכנולוגיה, ההתקדמות תימדד בעוד עשרות שנים. רק תחשוב על הזמן שלקח לעבור מהמצאת הטרנזיסטור לטלפונים סלולריים ואייפונים. אנחנו לא רוצים את זה עם מחשוב קוונטי. אנחנו רוצים להאיץ את זה. 

אני מאמין שאנחנו צריכים הרבה מאוד מוחות ליד השולחן כדי לקדם את הטכנולוגיה הזו ולהאיץ את ההתקדמות שלנו

החדשות הטובות הן שיש לנו יתרונות עצומים - יש לנו כבר תוכנות ומחשבים קלאסיים. לקודמינו לא הייתה את היכולת לדגמן את מה שהם עשו כשהם עברו מצינורות ואקום לטרנזיסטורים למעגלים משולבים. לא היו להם מחשבים קלאסיים שיעזרו להם, בעוד שיש לנו אותם בהישג יד. כשאני רואה את המערכת האקולוגית צומחת - יותר חברות, יותר סטארט-אפים, יותר תוכניות לתואר באוניברסיטה - אני רואה בזה בדיוק מה שאנחנו צריכים.

אז במקום להיות מרוכז בשאלה אם יהיה פסל או "חורף קוונטי", אני מתמקד בשיתוף מובילי המחשבה האלה, הבאת אותם חדשנים לשולחן ודמוקרטיזציה של הקוונטים כדי שנוכל להוציא פתרונות במהירות. אם אנו מראים התקדמות, לא יהיה חורף קוונטי, ואני מאמין שנוכל להתקדם בכל התחומים, ממכשירים ומכונות ועד תוכנות ואפליקציות.

האם יש לך תאריך בראש ל-"Q-day" - כלומר, היום שבו המחשב המעשי הראשון נכנס לרשת?

מחשבי קוונטים כבר מקוונים. הם נמצאים ב-Azure ואתה יכול לגשת אליהם. אבל הקצב שבו אנחנו מתרחבים ומגיעים ליתרון קוונטי תלוי בכולם יעסקו וקפוץ פנימה. במיקרוסופט, אנחנו רצים הכי מהר שאנחנו יכולים להגדיל את המכונה ולהגדיל את הפלטפורמה, אבל אנחנו גם תלויים באנשים פיתוח אלגוריתמים שדורשים פחות קיוביטים - אולי על ידי קפיצה פנימה ושימוש ב-QIR כדי ליצור ערימת קומפילציה טובה יותר. התקדמות עוסקת ביצירת הבדל משני הצדדים, בשיפור המכונה וכן בהורדת עלות האלגוריתמים. זה מה שישנה את ציר הזמן ויזרז את היום שבו נראה יתרון קוונטי מעשי.