Krysta Svore, vice-president van Microsoft Quantum, praat met Tushna Commissariat over de reis van het bedrijf naar kwantumvoordeel
Over de hele wereld zijn zowel kleine als grote bedrijven bezig met het ontwikkelen en lanceren van computertechnologieën op basis van de kwantumfysica. Hoewel de basisprincipes al enkele decennia gelden, werken onderzoekers, industrie en overheden allemaal aan het bouwen en opschalen van praktische kwantumcomputers, waarbij het Amerikaanse technologiebedrijf Microsoft een belangrijke speler is.
Eerder dit jaar zei een vooraanstaande ingenieur en hoofd van Het Quantum-team van Microsoft, Krysta Svore, hield een keynote op The Economist tijdschrift Commercializing Quantum evenement in Londen. Ze haalde het later in Natuurkunde wereld om de route van het bedrijf naar een schaalbaar kwantumsysteem te bespreken – van topologische qubits tot Azure van Microsoft quantum cloud computing-platform en hybride partnerschappen, naar de quantummarktplaats als geheel.
Wat doet Microsoft momenteel in de kwantumwereld?
Een van de vragen waar we over nadenken is hoe we de reis naar kwantumvoordeel kunnen versnellen. Wat ik bedoel met kwantumvoordeel is in de eerste plaats dat we problemen willen kunnen oplossen die betekenisvol zijn en die onze samenleving vooruit helpen. Ik heb een dochter en ik wil de toekomst voor haar veranderen. Ik wil haar deze enorme uitdagingen op het gebied van duurzaamheid, klimaatverandering, energie en het vinden van betere manieren om de hulpbronnen op onze planeet te gebruiken niet aan haar overlaten.
Met quantum computing is er hoop dat we een aantal van deze problemen kunnen aanpakken, maar dat zullen we niet kunnen doen met een quantumcomputer als een op zichzelf staande machine. Om erachter te komen hoe je de stikstoffixatie kunt verbeteren, of hoe je koolstofdioxide kunt opvangen en omzetten in bijvoorbeeld methanol, heb je echt een hybride oplossing nodig, een oplossing die quantum computing integreert in een klassieke supercomputer. Dus dat is waar we aan bouwen Microsoft met ons cloud computing Azure-systeem. We streven ernaar een hybride, heterogene, AI-aangedreven, kwantumaangedreven supercomputer te produceren die oplossingen voor dit soort problemen naar voren zal brengen.
We denken ook na over ons softwareplatform. We bestuderen al jaren kwantumalgoritmen, dus we hebben wat we hebben geleerd over hoe we deze kunnen optimaliseren en compileren, en die kennis naar ons platform gebracht. Met Azure kun je nu kleine problemen uitproberen op een gevarieerde set echte hardware die wordt geleverd door onze verschillende partners. Maar je kunt ook applicaties schrijven, je code ontwikkelen, beslissen hoe groot een kwantumcomputer je nodig hebt en uitzoeken hoe deze naast een klassieke computer zal functioneren. U kunt die integratie uitvoeren en nu beginnen met het debuggen van de code, omdat die code geldig blijft naarmate de machines opschalen en volledig geïntegreerd worden met de cloud.
Wat is jouw visie op hoe we een schaal bereiken waarop we iets zinvols kunnen doen met een kwantumcomputer?
Microsoft heeft vanaf het begin aan schaal gedacht. We hebben kwantumalgoritmen bestudeerd; we hebben de natuurkunde bestudeerd; we hebben aan de hele systeemarchitectuur gewerkt, van software tot hardware. En wat we over schaal hebben geleerd, is dat we iets anders moeten vragen van onze qubits en van onze kwantummachine.
Gedurende tientallen jaren van onderzoek hebben we vastgesteld dat een succesvolle machine drie belangrijke kenmerken nodig heeft. Ten eerste moet het de juiste maat hebben. De qubit moet zo klein zijn dat er een miljoen op een wafer passen, zodat de machine uiteindelijk niet zo groot wordt als een wolkenkrabber. Vervolgens moet het de juiste snelheid zijn. De machine moet zo snel zijn dat als je miljarden bewerkingen uitvoert, ze allemaal binnen enkele weken kunnen worden voltooid, zodat we niet langer dan een maand hoeven te wachten op de volledige end-to-end-oplossing die klassieke en kwantumelementen. Ten slotte hebben we een qubit nodig die betrouwbaar genoeg is naarmate we opschalen; een die niet zoveel bronnen verbruikt omdat we profiteren van natuurlijke, intrinsieke qubit-eigenschappen om fouten te corrigeren. Dat is wat ons in staat zal stellen miljarden operaties uit te voeren.
Bij Microsoft hebben we een qubit geïdentificeerd en ontworpen die naar onze mening op al deze punten precies goed is: de topologische qubit. En de afgelopen maanden hebben we een aantal fantastische vorderingen gedeeld die we hebben geboekt bij het maken van deze qubit. In wezen hebben we apparaten ontwikkeld die deze zeer ongrijpbare natuurkunde demonstreren waar al een eeuw lang over wordt gesuggereerd, waarbij zogenaamde Majorana-nulmodi ontstaan aan het einde van draden op nanoschaal. Dit is een kenmerk van het soort natuurkunde dat we nodig hebben om een topologische qubit te demonstreren, dus het is een zeer belangrijke mijlpaal, zowel voor de wetenschap als voor het leggen van de basis die we moeten zeggen: “Oké, we zullen een miljoen qubits bereiken.”
Vertel me meer over deze topologische qubit. Hoe is het als het om robuustheid gaat? Moet het op cryogene temperaturen zijn?
Ja, het werkt op cryogene temperaturen, dus wat dat betreft lijkt het heel erg op sommige andere qubits in de industrie, zoals supergeleidende qubits. Het bevindt zich in een verdunningskoelkast en 100 mK is ongeveer het temperatuurbereik. In termen van robuustheid is dit iets waar we aan zullen werken voor onze volgende demonstratie. Wat we tot nu toe hebben laten zien is de onderliggende fundamentele fysica en de eigenschappen van de Majorana-nulmodi, maar nu moeten we daar een qubit van maken. Daarmee bedoel ik iets waarmee je bewerkingen kunt uitvoeren; iets dat je kunt controleren en uitlezen. Zodra we dat doen, kunnen we het meten en zeggen: 'Oké, hier is de levensduur. Hier ziet u hoe coherent het is.”
Maar het mooie aan de topologische qubit – en de reden dat we er zo in hebben geïnvesteerd – is dat deze over deze natuurlijke foutbescherming beschikt, waarvan we denken dat deze zal helpen opschalen. Deze eigenschap komt voort uit het feit dat de informatie die de qubit codeert, in zekere zin is verdeeld over vier Majorana-nulmodi, één aan elk uiteinde van twee nanodraden. Als de natuur slechts één van die Majorana-nulmodi probeert te verstoren, zal dit de kwantumtoestand niet daadwerkelijk schaden. Bij een supergeleidende qubit daarentegen wordt de kwantumtoestand op één punt vastgehouden, dus als je op dat punt ruis krijgt, decohereert de toestand. In tegenstelling daarmee hebben we een mate van foutcorrectie of fouttolerantie die in onze topologische qubit is ingebouwd.
Op welk punt kun je een probleem uitvoeren op bijvoorbeeld de topologische qubits van Microsoft en vervolgens het experiment herhalen met een ander type qubit, en ervoor zorgen dat we dezelfde output krijgen?
Ik vind het geweldig waar je hiermee naartoe gaat, en ik ben blij je te kunnen vertellen dat we dat vandaag kunnen doen. Dat maakt deel uit van het mooie van Azure Quantum: het biedt mensen de kans om dezelfde code op meerdere kwantumcomputers uit te voeren, via de cloudservice die we hebben. Je kunt een enkel stukje code schrijven – misschien is het een klein exemplaar van het algoritme van Azure, misschien is het het quantum-equivalent van ‘Hallo wereld’ – en het uitvoeren op hardware die is ontwikkeld door bedrijven zoals kwantum en IonQ. Dat zijn beide ionenvalplatforms, waar we ook mee samenwerken Quantum Circuits Inc. (QCI), dat een supergeleidend qubit-platform gebruikt, en we hebben een op silicium halfgeleiders gebaseerd supergeleidend qubit-platform van Rigetti Computing en een kwantumprocessorplatform met neutrale atomen Pascal, die beide binnenkort online komen.
Dat zijn dus vijf verschillende kwantumhardwareplatforms die beschikbaar zijn via Azure, en wat echt leuk is, is de flexibiliteit die je hebt met de code. U kunt uw kwantumalgoritme erin schrijven Q#, een taal op hoog niveau voor de ontwikkeling van algoritmen. Dat zou mijn keuze zijn, maar je kunt ook met je eigen codes binnenkomen. Als u uw probleem bijvoorbeeld eerder op een van de apparaten van IBM hebt uitgevoerd en u beschikt over hun Kiskit code al geschreven, dan kunt u die code eenvoudigweg ook op ons systeem uitvoeren. U kunt een van de vijf hardwareplatforms selecteren en de code wordt voor u gecompileerd naar de “backend” die u kiest.
Dat betekent dat u dezelfde applicatie op al die back-end-apparaten kunt uitvoeren en kunt zien hoe deze zich gedraagt. Omdat deze apparaten natuurlijk verschillende architecturen, verschillende connectiviteit en zelfs verschillende werkingssnelheden en betrouwbaarheid hebben. Via Azure leer je alles over die verschillen en overeenkomsten.
Bent u van plan om extra hardwareplatforms in te voeren?
Ja, we geloven echt in het democratiseren van quantum computing door de gemeenschap erbij te betrekken om het ecosysteem te laten groeien. Veel van onze code- en platformtools zijn open source, en naast meerdere hardwareleveranciers hebben we ook een hele reeks simulatoren van onze partners. Dit zijn programma's waarmee u kunt bepalen hoe uw code op een bepaald hardwareplatform wordt uitgevoerd, voordat u deze uitvoert. We hebben ook zogenaamde resource-schatters, die u kunt gebruiken als u wilt weten hoeveel een algoritme u gaat kosten om uit te voeren zodra de machines zijn opgeschaald, of hoe groot een machine u nodig heeft.
Een verdere spannende ontwikkeling noemen wij Quantum Intermediate Representatie (QIR), waarmee u elke taal op hoog niveau kunt gebruiken (kies uw favoriet), deze kunt toewijzen aan QIR en deze naar een willekeurig aantal back-endproviders kunt sturen. We zien dit als een belangrijke laag in de mondiale softwarestack, omdat het iets is dat een gemakkelijke vertaling of mapping naar verschillende hardware mogelijk maakt.
Je kunt QIR zien als een universele middenlaagtaal die communicatie tussen talen en machines op hoog niveau mogelijk maakt. Veel organisaties hebben het al overgenomen. Het is ontwikkeld als onderdeel van een alliantie via de De Joint Development Foundation van de Linux Foundation. In feite zijn QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia en Oak Ridge National Laboratory hebben allemaal aangekondigd dat ze hun compilers via QIR gaan bouwen.
En het maakt allemaal deel uit van wat genoemd wordt LLVM, een zeer populair klassiek compilerframework, waardoor u gebruik kunt maken van compilatie- en optimalisatietools uit de klassieke computerindustrie. Dat scheelt echt in de kosten van het schrijven van vertalingen. Anders zou je voor elke taal naar elke back-end nieuwe code moeten schrijven, wat erg duur zou zijn.
De kwantummarkt bevindt zich momenteel in een interessante fase. Het lijkt erop dat er elke week nieuwe kwantumbedrijven worden gelanceerd, maar deze enorme groeifase vindt plaats voordat de technologie zich echt heeft gevestigd. Bent u bang dat er een arrestatie zal plaatsvinden?
Ik geloof dat we heel veel mensen aan tafel nodig hebben om deze technologie vooruit te helpen en onze vooruitgang te versnellen. Traditioneel zou de vooruitgang bij dit soort technologie in tientallen jaren worden gemeten. Denk maar eens aan de tijd die nodig was om van de uitvinding van de transistor over te gaan naar mobiele telefoons en iPhones. Dat willen we niet met quantum computing. Wij willen het versnellen.
Ik geloof dat we heel veel mensen aan tafel nodig hebben om deze technologie vooruit te helpen en onze vooruitgang te versnellen
Het goede nieuws is dat we enorme voordelen hebben: we hebben al software en klassieke computers. Onze voorgangers hadden niet de mogelijkheid om te modelleren wat ze deden toen ze overstapten van vacuümbuizen naar transistors naar geïntegreerde schakelingen. Ze hadden geen klassieke computers om hen te helpen, terwijl wij ze binnen handbereik hebben. Als ik het ecosysteem zie groeien – meer bedrijven, meer start-ups, meer universitaire opleidingen – zie ik dat precies wat we nodig hebben.
Dus in plaats van me te concentreren op de vraag of er sprake zal zijn van een crisis of een ‘kwantumwinter’, concentreer ik me op het betrekken van die opinieleiders, het aan tafel brengen van die vernieuwers en het democratiseren van kwantum, zodat we snel oplossingen kunnen vinden. Als we vooruitgang laten zien, zal er geen kwantumwinter komen, en ik geloof dat we die vooruitgang op alle gebieden kunnen boeken, van apparaten en machines tot software en apps.
Heeft u een datum in gedachten voor “Q-day”, dat wil zeggen de dag dat de eerste praktijkcomputer online komt?
Kwantumcomputers zijn al online. Ze bevinden zich in Azure en u hebt er toegang toe. Maar de snelheid waarmee we opschalen en een kwantumvoordeel bereiken, hangt af van iedereen die meedoet en erin springt. Bij Microsoft rennen we zo snel als we kunnen om de machine en het platform op te schalen, maar we zijn ook afhankelijk van mensen algoritmen ontwikkelen die minder qubits nodig hebben – misschien door erin te springen en QIR te gebruiken om een betere compilatiestack te creëren. Vooruitgang gaat over het maken van een verschil aan beide kanten, het verbeteren van de machine en het verlagen van de kosten van algoritmen. Dat zal de tijdlijn veranderen en de dag bespoedigen waarop we praktisch kwantumvoordeel zullen zien.
