クリスタ・スヴォール、Microsoft Quantum の副社長、Tushna Commissariat に、同社の量子優位性への道のりについて話します
世界中で、規模の大小を問わず、量子物理学に基づくコンピューティング テクノロジの開発と立ち上げが競われています。 基本原則は数十年にわたって確立されてきましたが、研究者、業界、政府はすべて、米国の技術会社マイクロソフトが主要なプレーヤーである実用的な量子コンピューターの構築と拡大に向けて取り組んでいます。
今年の初め、著名なエンジニアであり、 Microsoft の Quantum チーム、Krysta Svore、で基調講演を行いました エコノミスト 雑誌の商品化クォンタム ロンドンでのイベント。 彼女は後に追いついた 物理学の世界 トポロジカル キュービットから、 MicrosoftのAzure 量子クラウド コンピューティング プラットフォームとハイブリッド パートナーシップを量子市場全体に提供します。
マイクロソフトは現在、量子の世界で何をしていますか?
私たちが検討している問題の XNUMX つは、クオンタム アドバンテージへの旅を加速する方法です。 量子優位性とは、まず第一に、有意義で社会を前進させるのに役立つ問題を解決できるようになりたいということです。 私には娘がいて、娘の未来を変えたいと思っています。持続可能性、気候変動、エネルギー、そして地球上の資源をより有効に活用する方法を見つけることに関連するこれらの非常に困難な課題を彼女に残したくないのです。
量子コンピューティングを使えば、これらの問題のいくつかに対処し始めることができるという希望がありますが、スタンドアロンのマシンとしての量子コンピューターでそれを行うことはできません. たとえば、窒素固定を改善する方法や、二酸化炭素を捕捉してメタノールに変換する方法を考え出すには、量子コンピューティングを従来のスーパーコンピューターに統合するハイブリッド ソリューションが本当に必要です。 それが私たちが構築しているものです Microsoft とクラウド コンピューティング Azure システム. 私たちは、これらのタイプの問題に対する解決策を提供する、ハイブリッドで異種の AI を利用した、量子を利用したスーパーコンピューターを作成することを目指しています。
また、ソフトウェア プラットフォームについても検討しています。 私たちは量子アルゴリズムを何年も研究してきました。そのため、それらを最適化してコンパイルする方法について学んだことを取り入れ、その知識を私たちのプラットフォームにもたらしました。 現時点では、Azure を使用して、さまざまなパートナーから提供されている実際のハードウェアのさまざまなセットで小さな問題を試すことができます。 しかし、アプリケーションを作成し、コードを開発し、必要な量子コンピューターのサイズを決定し、従来のコンピューターとどのように動作するかを検討することもできます。 その統合を実行して、今すぐコードのデバッグを開始できます。これは、マシンがスケールアップしてクラウドと完全に統合されても、そのコードは引き続き有効であるためです。
量子コンピューターを使って有意義なことを行うことができる規模に到達する方法について、あなたのビジョンは何ですか?
マイクロソフトは当初からスケールについて考えてきました。 私たちは量子アルゴリズムを研究しました。 私たちは物理学を研究しました。 ソフトウェアからハードウェアまで、システム アーキテクチャ全体に取り組んできました。 スケールについて学んだことは、キュービットと量子マシンに異なる何かを求める必要があるということです。
何十年にもわたる調査の結果、成功するマシンには XNUMX つの重要な特性が必要であることがわかりました。 まず、適切なサイズである必要があります。 キュービットは、XNUMX 枚のウエハーに XNUMX 万個を収めるのに十分なほど小さくする必要があります。これにより、マシンが超高層ビルのサイズになってしまうことはありません。 次に、適切な速度である必要があります。 マシンは、数十億の操作を実行する場合に、それらすべてを数週間で完了することができるほど十分に高速である必要があります。量子要素。 最後に、スケールアップしても十分に信頼できる量子ビットが必要です。 エラーを修正するために自然な固有のキュービット プロパティを利用しているため、それほど多くのリソースを消費しません。 これにより、何十億もの操作を実行できるようになります。
Microsoft では、これらすべての点で適切だと思われる量子ビットを特定して設計しました。 トポロジカル量子ビット. ここ数か月で、このキュービットの作成に向けて達成した非常にエキサイティングな進歩をいくつか共有しました。 本質的に、私たちは、XNUMX世紀にわたって仮説が立てられてきたこの非常にとらえどころのない物理学を実証するデバイスを設計しました。 マヨラナ ゼロ モードは、ナノスケール ワイヤの端に現れる. これは、トポロジカル キュービットを実証するために必要なタイプの物理学の特徴であるため、科学にとっても、「よし、XNUMX 万キュービットに到達する」と言う必要がある基礎を構築するためにも、非常に重要なマイルストーンです。
このトポロジカル キュービットについて詳しく教えてください。 堅牢性に関してはどうですか？ 極低温にする必要がありますか？
はい、極低温で動作するため、その点では、超伝導量子ビットなど、業界の他の量子ビットと非常によく似ています。 希釈冷凍庫で、100 mK が大体の温度範囲です。 堅牢性に関しては、これは次のデモンストレーションに向けて取り組んでいるものです。 これまでに示したのは、基礎となる基本的な物理学とマヨラナ ゼロ モードの特性ですが、これからはそれから量子ビットを作成する必要があります。. つまり、操作を実行できるものを意味します。 あなたが制御して読むことができるもの。 それができたら、それを測定して、次のように言うことができます。 これがどれほど一貫性があるかです。」
しかし、トポロジカル キュービットの素晴らしい点 (そして私たちがそれに投資している理由) は、スケーリングに役立つと信じている自然なエラー保護機能を備えていることです。 この特性は、量子ビットがエンコードする情報が、ある意味で、XNUMX つのナノワイヤの両端にある XNUMX つのマヨラナ ゼロ モードに分割されているという事実に由来します。 自然がこれらのマヨラナ ゼロ モードの XNUMX つだけを妨害しようとしても、実際には量子状態が損なわれることはありません。 対照的に、超伝導量子ビットでは、量子状態は XNUMX 点で保持されるため、その点でノイズが発生すると、状態が分離します。 それとは異なり、トポロジカル キュービットには、ある程度のエラー修正または耐障害性が組み込まれています。
たとえば、Microsoft のトポロジカル キュービットで問題を実行し、別のタイプのキュービットを使用して実験を繰り返し、同じ出力が得られることを確認できるのはどの時点でしょうか?
私はあなたがこれでどこに向かっているのかが大好きで、今日それを行うことができることを喜んでお伝えします. 実際、これは Azure Quantum の優れた点の XNUMX つです。クラウド サービスを通じて、複数の量子コンピューターで同じコードを実行する機会をユーザーに提供します。 単一のコードを記述できます。これは Azure のアルゴリズムの小さなインスタンスかもしれませんし、「hello world」に相当する量子的なものかもしれません。 量子 & IonQ. どちらもイオン トラップ プラットフォームですが、 量子回路株式会社 (QCI)、超伝導量子ビット プラットフォームを使用し、シリコン半導体ベースの超伝導量子ビット プラットフォームがあります。 リゲッティコンピューティング からの中性原子量子プロセッサプラットフォーム パスカル、どちらもまもなくオンラインになります。
以上が、Azure を通じて利用できる XNUMX つの異なる量子ハードウェア プラットフォームです。本当に優れているのは、コードの柔軟性です。 量子アルゴリズムを アルゴリズム開発用の高水準言語である Q#. それは私の選択ですが、独自のコードを使用することもできます。 たとえば、以前に IBM のデバイスの XNUMX つで問題を実行したことがあり、そのデバイスを持っているとします。 キスキット コードが既に作成されている場合は、そのコードもシステム上で実行するだけです。 XNUMX つのハードウェア プラットフォームのいずれかを選択すると、選択した「バック エンド」にコードがコンパイルされます。
つまり、これらすべてのバックエンド デバイスで同じアプリケーションを実行し、その動作を確認できます。 もちろん、これらのデバイスは異なるアーキテクチャ、異なる接続性、さらには異なる動作速度と忠実度を備えています。 Azure を通じて、それらの相違点と類似点についてすべて学ぶことができます。
追加のハードウェア プラットフォームを導入する予定はありますか?
はい、私たちは、コミュニティを参加させてエコシステムを成長させることによって、量子コンピューティングを民主化することを本当に信じています。 私たちのコードとプラットフォーム ツールの多くはオープン ソースであり、複数のハードウェア プロバイダーと同様に、さまざまなシミュレーターがパートナーから提供されています。 これらは、コードを実行する前に、特定のハードウェア プラットフォームでコードがどのように動作するかを理解するのに役立つプログラムです。 また、マシンがスケールアップしたときにアルゴリズムを実行するのにどれくらいのコストがかかるか、または必要なマシンのサイズを知りたい場合に使用できる、リソース エスティメーターと呼ばれるものもあります。
さらなるエキサイティングな開発は、私たちが呼ぶものです 量子中間表現 (QIR)これにより、任意の高水準言語 (お気に入りを選択) を取得し、それを QIR にマップして、任意の数のバックエンド プロバイダーに送信できます。 これは、さまざまなハードウェアへの変換やマッピングを容易にするものであるため、グローバル ソフトウェア スタックの重要なレイヤーであると考えています。
QIR は、高級言語とマシン間の通信を可能にするユニバーサル中間層言語と考えることができます。 多くの組織がすでに採用しています。 これは、アライアンスの一環として開発されました。 Linux Foundation の共同開発財団. 実際、QCI、Quantinuum、Rigetti、 Nvidia & オークリッジ国立研究所 QIR を通じてコンパイラを構築する予定であると発表しています。
そして、それはすべてと呼ばれるものの一部です Llvmは非常に人気のある古典的なコンパイラ フレームワークであるため、古典的なコンピューティング業界のコンパイルおよび最適化ツールを活用できます。 これにより、翻訳を書くコストが大幅に削減されます。 そうしないと、すべてのバックエンドに対してすべての言語の新しいコードを作成する必要があり、非常にコストがかかります。
量子市場は現在、興味深い段階にあります。 毎週のように、新しい量子企業が立ち上げられているようですが、この大規模なブームの段階は、技術が実際に確立される前に起こっています. バストが発生するのではないかと心配していますか？
この技術を進歩させ、進歩を加速させるには、非常に多くの頭脳がテーブルに着く必要があると私は信じています。 従来、この種のテクノロジーでは、進歩は数十年単位で測定されていました。 トランジスタが発明されてから、携帯電話や iPhone が登場するまでにかかった時間を考えてみてください。 量子コンピューティングではそれを望んでいません。 私たちはそれをスピードアップしたいと考えています。
この技術を進歩させ、私たちの進歩を加速させるためには、非常に多くの頭脳がテーブルに着く必要があると私は信じています
良いニュースは、私たちには大きな利点があるということです。私たちはすでにソフトウェアと古典的なコンピューターを持っています。 私たちの前任者は、真空管からトランジスタ、さらには集積回路へと移行していたときに、何をしていたかをモデル化する能力を持っていませんでした。 彼らは彼らを助ける古典的なコンピューターを持っていませんでしたが、私たちはそれらをすぐに利用できます。 より多くの企業、より多くのスタートアップ、より多くの大学の学位プログラムなど、エコシステムが成長するのを見るとき、私はそれがまさに私たちが必要としているものだと考えています.
そのため、破綻や「量子の冬」が起こるかどうかに焦点を当てるのではなく、私はそれらのソート リーダーと関わり、イノベーターをテーブルに連れて行き、量子を民主化し、解決策を迅速に導き出せるようにすることに焦点を当てています。 私たちが進歩を見せている場合、量子の冬はありません。デバイスやマシンからソフトウェアやアプリに至るまで、すべての分野でその進歩を遂げることができると私は信じています。
「Q-day」の予定はありますか?つまり、実用的なコンピューターが初めてオンラインになる日です。
量子コンピューターはすでにオンラインになっています。 それらは Azure にあり、アクセスできます。 しかし、スケールアップして量子優位性に到達する速度は、全員が関与して飛び込むかどうかにかかっています。マイクロソフトでは、マシンのスケールアップとプラットフォームのスケールアップをできる限り迅速に実行していますが、人にも依存しています。より少ない量子ビットを必要とするアルゴリズムを開発します。おそらく、飛び込んで QIR を使用して、より優れたコンパイル スタックを作成します。 進歩とは、アルゴリズムのコストを下げるだけでなく、マシンを改善し、両端から違いを生み出すことです。 それがタイムラインを変更し、実用的な量子の利点が見られる日を早めるものです.
