Demokratisering av kvanteøkosystemet: Microsofts Krysta Svore på vei mot en skalerbar kvantedatamaskin

Over hele kloden kappløper både små og store firmaer for å utvikle og lansere datateknologi basert på kvantefysikk. Mens de grunnleggende prinsippene har vært på plass i noen tiår, jobber forskere, industri og myndigheter alle for å bygge og skalere opp praktiske kvantedatamaskiner, med det amerikanske teknologiselskapet Microsoft som en nøkkelaktør. 

Tidligere i år fremtredende ingeniør og leder for Microsofts Quantum-team, Krysta Svore, holdt en keynote kl The Economist magasinets Commercializing Quantum arrangement i London. Hun tok senere igjen Fysikkens verden å diskutere firmaets vei mot et skalerbart kvantesystem – fra topologiske qubits, til Microsofts Azure quantum cloud-computing-plattform og hybride partnerskap, til kvantemarkedet som helhet. 

Hva gjør Microsoft i kvanteverdenen akkurat nå?

Et av spørsmålene vi vurderer er hvordan vi kan akselerere reisen til kvantefordeler. Det jeg mener med kvantefordel er for det første at vi ønsker å kunne løse problemer som er meningsfulle og vil bidra til å bringe samfunnet vårt fremover. Jeg har en datter, og jeg vil endre fremtiden for henne – jeg vil ikke gi henne disse herkuliske utfordringene knyttet til bærekraft, klimaendringer, energi og å finne bedre måter å bruke ressursene på planeten vår på. 

Med kvantedatabehandling er det håp om at vi kan begynne å løse noen av disse problemene, men vi kommer ikke til å kunne gjøre det med en kvantedatamaskin som en frittstående maskin. For å finne ut hvordan du kan forbedre nitrogenfiksering, eller fange karbondioksid og konvertere det til metanol, for eksempel, trenger du virkelig en hybridløsning, en som integrerer kvantedatabehandling i en klassisk superdatamaskin. Så det er det vi bygger på Microsoft med vårt skybaserte Azure-system. Vi har som mål å produsere en hybrid, heterogen, AI-drevet, kvantedrevet superdatamaskin som vil bringe frem løsninger for denne typen problemer. 

Vi tenker også på programvareplattformen vår. Vi har studert kvantealgoritmer i årevis, så vi har tatt det vi har lært om hvordan vi kan optimalisere og kompilere dem, og brakt den kunnskapen til plattformen vår. Akkurat nå, med Azure, kan du prøve ut små problemer på et mangfoldig sett med ekte maskinvare som leveres av våre ulike partnere. Men du kan også skrive applikasjoner, utvikle koden din, bestemme hvor stor en kvantedatamaskin du trenger og finne ut hvordan den vil fungere sammen med en klassisk. Du kan utføre den integrasjonen og begynne å feilsøke koden nå, fordi den koden forblir gyldig når maskinene skaleres opp og blir fullt integrert med skyen.

Hva er din visjon for hvordan vi kommer til en skala der vi kan gjøre noe meningsfullt med en kvantedatamaskin?

Microsoft har tenkt på skala fra begynnelsen. Vi har studert kvantealgoritmer; vi har studert fysikken; vi har jobbet med hele systemarkitekturen fra programvare til maskinvare. Og det vi har lært om skala er at vi må spørre om noe annet om qubitene våre og kvantemaskinen vår. 

Gjennom flere tiår med forskning har vi identifisert at en vellykket maskin trenger tre nøkkelegenskaper. Først må den ha riktig størrelse. Qubiten må være liten nok til at du får plass til en million på en oblat, slik at maskinen ikke kommer til å bli på størrelse med en skyskraper. Deretter må det være riktig hastighet. Maskinen må være rask nok til at når du kjører milliarder av operasjoner, kan alle være fullført i løpet av noen uker, slik at vi ikke venter mer enn en måned på den komplette ende-til-ende-løsningen som kombinerer klassisk og kvanteelementer. Til slutt trenger vi en qubit som er pålitelig nok når vi skalerer opp; en som ikke vil forbruke så mange ressurser fordi vi utnytter naturlige, iboende qubit-egenskaper for å korrigere feil. Det er det som vil tillate oss å drive milliarder av operasjoner. 

Hos Microsoft har vi identifisert og designet en qubit som vi føler er helt riktig på alle disse punktene: den topologiske qubiten. Og i løpet av de siste månedene har vi delt noen virkelig spennende fremskritt vi har gjort mot å lage denne qubiten. I hovedsak har vi konstruert enheter som demonstrerer denne svært unnvikende fysikken som det har vært hypoteser om i et århundre, hvorved s.k. Majorana null-moduser dukker opp på enden av nanoskala ledninger. Dette er en signatur av typen fysikk vi trenger for å demonstrere en topologisk qubit, så det er en veldig viktig milepæl både for vitenskapen og for å bygge grunnlaget vi trenger for å si: "Ok, vi vil nå en million qubits." 

Fortell meg mer om denne topologiske qubiten. Hvordan er det når det gjelder robusthet? Trenger det å være ved kryogene temperaturer?

Ja, den opererer ved kryogene temperaturer, så i den forbindelse er den veldig lik noen andre qubits i bransjen, for eksempel superledende qubits. Den er i et fortynningskjøleskap, og 100  mK er omtrentlig temperaturområdet. Når det gjelder robusthet, er dette noe vi skal jobbe med til vår neste demonstrasjon. Det vi har vist så langt er den underliggende grunnleggende fysikken og egenskapene til Majorana null-moduser, men nå må vi lage en qubit ut av det. Med det mener jeg noe du kan utføre operasjoner med; noe du kan kontrollere og lese opp. Når vi gjør det, vil vi kunne måle det og si: «Ok, her er levetiden. Her er hvor sammenhengende det er." 

Men det som er fantastisk med den topologiske qubiten – og grunnen til at vi er så investert i den – er at den har denne naturlige feilbeskyttelsen som vi tror vil hjelpe den med å skalere. Denne egenskapen stammer fra det faktum at informasjonen qubit koder på en måte er delt over fire Majorana null-moduser, en i hver ende av to nanotråder. Hvis naturen prøver å forstyrre bare en av disse Majorana null-modusene, vil det faktisk ikke skade kvantetilstanden. I kontrast, med en superledende qubit, holdes kvantetilstanden på et enkelt punkt, så hvis du får støy på det punktet, dekoherer tilstanden. I motsetning til det har vi en grad av feilretting eller feiltoleranse som er innebygd i vår topologiske qubit.

På hvilket tidspunkt vil du kunne kjøre et problem på for eksempel Microsofts topologiske qubits og deretter gjenta eksperimentet med en annen type qubit, og sikre at vi får samme utgang? 

Jeg elsker hvor du er på vei med dette, og jeg er glad for å fortelle deg at vi kan gjøre det i dag. Faktisk er det en del av skjønnheten til Azure Quantum – det gir folk muligheten til å kjøre den samme koden på flere kvantedatamaskiner, gjennom skytjenesten vi har. Du kan skrive et enkelt stykke kode – kanskje det er en liten forekomst av Azures algoritme, kanskje det er kvanteekvivalenten til «hallo verden» – og kjøre den på maskinvare utviklet av selskaper som f.eks. Kvantinuum og IonQ. Disse er begge ionefelleplattformer, men vi samarbeider også med Quantum Circuits Inc. (QCI), som bruker en superledende qubit-plattform, og vi har en silisium-halvlederbasert superledende qubit-plattform fra Rigetti databehandling og en nøytral-atom kvanteprosessor plattform fra Pascal, som begge kommer på nettet snart.

Så det er fem forskjellige kvantemaskinvareplattformer tilgjengelig gjennom Azure, og det som er veldig pent er fleksibiliteten du har med koden. Du kan skrive inn kvantealgoritmen din Q#, som er et høynivåspråk for algoritmeutvikling. Det ville vært mitt valg, men du kan også komme inn med dine egne koder. For eksempel, hvis du tidligere har kjørt problemet på en av IBMs enheter og du har deres Qiskit koden allerede er skrevet, så kan du ganske enkelt kjøre den koden også på systemet vårt. Du kan velge hvilken som helst av de fem maskinvareplattformene, og den vil kompilere koden for deg til den "backend" du velger.

Det betyr at du kan kjøre den samme applikasjonen på alle disse back-end-enhetene og se hvordan den oppfører seg. Fordi disse enhetene har forskjellige arkitekturer, forskjellige tilkoblingsmuligheter og til og med forskjellige operasjonshastigheter og nøyaktigheter. Gjennom Azure kan du lære alt om disse forskjellene og likhetene.

Planlegger du å ta inn flere maskinvareplattformer?

Ja, vi tror virkelig på å demokratisere kvantedatabehandling ved å bringe samfunnet inn for å vokse økosystemet. Mye av kode- og plattformverktøyene våre er åpen kildekode, og i tillegg til flere maskinvareleverandører har vi en hel rekke simulatorer fra våre partnere. Dette er programmer som hjelper deg å finne ut hvordan koden din vil kjøre på en gitt maskinvareplattform, før du kjører den. Vi har også det som kalles ressursestimatorer, som du kan bruke hvis du vil vite hvor mye en algoritme kommer til å koste deg å kjøre når maskinene skalerer opp, eller hvor stor en maskin du trenger. 

En videre spennende utvikling kaller vi Quantum Intermediate Representation (QIR), som lar deg ta hvilket som helst språk på høyt nivå (velg din favoritt), tilordne det til QIR og sende det til et hvilket som helst antall backend-leverandører. Vi ser dette som et viktig lag i den globale programvarestabelen, siden det er noe som gjør det enkelt å oversette eller kartlegge forskjellig maskinvare.

Du kan tenke på QIR som et universelt mellomlagsspråk som muliggjør kommunikasjon mellom høynivåspråk og maskiner. Mange organisasjoner har allerede tatt det i bruk. Den er utviklet som en del av en allianse gjennom Linux Foundations Joint Development Foundation. Faktisk, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia og Oak Ridge National Laboratory har alle annonsert at de kommer til å bygge kompilatorene sine gjennom QIR.

Og alt er en del av det som heter LLVM, som er et veldig populært klassisk kompilatorrammeverk, så det lar deg utnytte kompilerings- og optimaliseringsverktøy fra den klassiske dataindustrien. Det reduserer virkelig kostnadene ved å skrive oversettelser. Ellers ville du måtte skrive ny kode for hvert språk til hver backend, noe som ville være veldig dyrt.

Kvantemarkedsplassen er på et interessant stadium akkurat nå. Det virker som om det hver uke lanserer nye kvanteselskaper, men denne massive boomfasen finner sted før teknologien virkelig har etablert seg. Er du bekymret for at det skal bli en byste?

Jeg tror at vi trenger mange, mange hjerner ved bordet for å fremme denne teknologien og for å akselerere fremgangen vår. Tradisjonelt, med denne typen teknologi, vil fremskritt bli målt i flere tiår. Bare tenk på tiden det tok å gå fra oppfinnelsen av transistoren til å ha mobiltelefoner og iPhones. Vi vil ikke ha det med kvanteberegning. Vi ønsker å få fart på det. 

Jeg tror at vi trenger mange, mange hjerner ved bordet for å fremme denne teknologien og for å akselerere fremgangen vår

Den gode nyheten er at vi har store fordeler – vi har allerede programvare og klassiske datamaskiner. Våre forgjengere hadde ikke muligheten til å modellere hva de gjorde da de gikk fra vakuumrør til transistorer til integrerte kretser. De hadde ikke klassiske datamaskiner til å hjelpe dem, mens vi har dem for hånden. Når jeg ser økosystemet vokse – flere bedrifter, flere oppstartsbedrifter, flere universitetsstudier – ser jeg på det som akkurat det vi trenger.

Så i stedet for å være fokusert på om det blir en byste eller en "kvantevinter", fokuserer jeg på å engasjere disse tankelederne, bringe disse innovatørene til bordet og demokratisere kvante så vi kan få løsninger raskt. Hvis vi viser fremgang, vil det ikke være noen kvantevinter, og jeg tror at vi kan gjøre den fremgangen på alle områder, fra enheter og maskiner til programvare og apper.

Har du en dato i tankene for «Q-day» – altså dagen den første praktiske datamaskinen kommer på nett?

Kvantedatamaskiner er allerede online. De er i Azure, og du kan få tilgang til dem. Men hastigheten vi skalerer opp og når kvantefordelen med avhenger av at alle engasjerer seg og hopper inn. Hos Microsoft løper vi så fort vi kan for å skalere opp maskinen og skalere plattformen, men vi er også avhengige av mennesker utvikle algoritmer som krever færre qubits – kanskje ved å hoppe inn og bruke QIR for å lage en bedre kompileringsstabel. Fremgang handler om å gjøre en forskjell fra begge sider, forbedre maskinen samt redusere kostnadene for algoritmer. Det er det som vil endre tidslinjen og fremskynde dagen da vi vil se praktiske kvantefordeler.