Krysta Svore, wiceprezes Microsoft Quantum, rozmawia z Komisariatem Tushna o drodze firmy do przewagi kwantowej
Na całym świecie zarówno małe, jak i duże firmy ścigają się w opracowywaniu i wprowadzaniu na rynek technologii komputerowych opartych na fizyce kwantowej. Chociaż podstawowe zasady obowiązują od kilku dziesięcioleci, naukowcy, przemysł i rządy pracują nad budową i zwiększaniem skali praktycznych komputerów kwantowych, a kluczowym graczem jest amerykańska firma technologiczna Microsoft.
Na początku tego roku wybitny inżynier i kierownik ds Zespół Microsoft Quantum, Krysta Svore, wygłosił przemówienie o godz The Economist magazynu „Commercializing Quantum”. wydarzenie w Londynie. Później dogoniła Świat Fizyki aby omówić drogę firmy do skalowalnego systemu kwantowego – od kubitów topologicznych po Microsoft Azure kwantową platformę przetwarzania w chmurze i partnerstwa hybrydowe na cały rynek kwantowy.
Co Microsoft robi teraz w świecie kwantowym?
Jedno z pytań, które rozważamy, brzmi: jak przyspieszyć drogę do przewagi kwantowej. Mówiąc o przewadze kwantowej, mam na myśli przede wszystkim to, że chcemy móc rozwiązywać problemy, które mają znaczenie i pomogą w rozwoju naszego społeczeństwa. Mam córkę i chcę zmienić dla niej przyszłość – nie chcę zostawiać jej tych herkulesowych wyzwań związanych ze zrównoważonym rozwojem, zmianami klimatycznymi, energią i poszukiwaniem lepszych sposobów wykorzystania zasobów naszej planety.
Istnieje nadzieja, że dzięki informatyce kwantowej uda nam się zacząć rozwiązywać niektóre z tych problemów, ale nie będziemy w stanie tego zrobić, korzystając z komputera kwantowego jako samodzielnej maszyny. Aby na przykład opracować sposób poprawy wiązania azotu lub wychwytywania dwutlenku węgla i przekształcania go w metanol, naprawdę potrzebne jest rozwiązanie hybrydowe, które integruje obliczenia kwantowe z klasycznym superkomputerem. Więc na tym właśnie budujemy Microsoft z naszym systemem chmurowym Azure. Naszym celem jest wyprodukowanie hybrydowego, heterogenicznego superkomputera napędzanego sztuczną inteligencją i energią kwantową, który zapewni rozwiązania tego typu problemów.
Myślimy również o naszej platformie oprogramowania. Od lat badamy algorytmy kwantowe, więc wykorzystaliśmy to, czego się nauczyliśmy na temat ich optymalizacji i kompilacji, i przenieśliśmy tę wiedzę na naszą platformę. W tej chwili dzięki platformie Azure możesz wypróbowywać drobne problemy na różnorodnym zestawie prawdziwego sprzętu dostarczanego przez naszych różnych partnerów. Ale możesz także pisać aplikacje, rozwijać swój kod, decydować, jak duży komputer kwantowy będzie Ci potrzebny i zastanawiać się, jak będzie on działał w porównaniu z komputerem klasycznym. Możesz przeprowadzić tę integrację i rozpocząć debugowanie kodu już teraz, ponieważ kod ten pozostanie ważny, gdy maszyny będą skalowane i zostaną w pełni zintegrowane z chmurą.
Jaka jest Twoja wizja osiągnięcia skali, w której możemy zrobić coś znaczącego za pomocą komputera kwantowego?
Microsoft od początku myślał o skali. Badaliśmy algorytmy kwantowe; studiowaliśmy fizykę; pracowaliśmy nad całą architekturą systemu od oprogramowania po sprzęt. A o skali dowiedzieliśmy się, że musimy wymagać czegoś innego od naszych kubitów i naszej maszyny kwantowej.
W ciągu kilkudziesięciu lat badań odkryliśmy, że skuteczna maszyna potrzebuje trzech kluczowych cech. Po pierwsze, musi mieć odpowiedni rozmiar. Kubit musi być na tyle mały, aby zmieścił się milion na płytce, tak aby maszyna nie osiągnęła wielkości drapacza chmur. Następnie musi to być odpowiednia prędkość. Maszyna musi być na tyle szybka, aby przy miliardach operacji wykonać każdą z nich w ciągu kilku tygodni, abyśmy nie czekali dłużej niż miesiąc na pełne, kompleksowe rozwiązanie łączące klasykę i pierwiastki kwantowe. Wreszcie potrzebujemy kubitu, który będzie wystarczająco niezawodny w miarę zwiększania skali; taki, który nie zużywa tak wielu zasobów, ponieważ wykorzystujemy naturalne, wewnętrzne właściwości kubitu do korygowania błędów. To właśnie pozwoli nam przeprowadzić miliardy operacji.
W firmie Microsoft zidentyfikowaliśmy i zaprojektowaliśmy kubit, który naszym zdaniem jest odpowiedni pod każdym względem: kubit topologiczny. W ciągu ostatnich kilku miesięcy podzieliliśmy się naprawdę ekscytującymi postępami, jakie poczyniliśmy w kierunku stworzenia tego kubitu. Zasadniczo zaprojektowaliśmy urządzenia, które demonstrują tę bardzo nieuchwytną fizykę, o której przypuszczano od stulecia, dzięki której tak zwane Mody zerowe Majorany pojawiają się na końcu drutów w skali nano. Jest to sygnatura typu fizyki, której potrzebujemy, aby zademonstrować kubit topologiczny, więc jest to bardzo znaczący kamień milowy zarówno dla nauki, jak i dla zbudowania fundamentów, o których musimy powiedzieć: „OK, osiągniemy milion kubitów”.
Powiedz mi więcej o tym kubicie topologicznym. Jak to jest, jeśli chodzi o wytrzymałość? Czy musi mieć temperaturę kriogeniczną?
Tak, działa w temperaturach kriogenicznych, więc pod tym względem bardzo przypomina niektóre inne kubity w branży, takie jak kubity nadprzewodzące. Znajduje się w lodówce do rozcieńczania, a 100 mK to mniej więcej zakres temperatur. Jeśli chodzi o solidność, to jest to coś, nad czym będziemy pracować podczas naszej następnej demonstracji. To, co pokazaliśmy do tej pory, to podstawowa fizyka i właściwości modów zerowych Majorany, ale teraz musimy z tego stworzyć kubit. Rozumiem przez to coś, na czym można wykonywać operacje; coś, co możesz kontrolować i czytać. Kiedy już to zrobimy, będziemy mogli to zmierzyć i powiedzieć: „OK, oto jego czas życia. Oto, jakie to jest spójne.”
Ale to, co jest wspaniałe w kubicie topologicznym – i powód, dla którego tak bardzo w niego zainwestowaliśmy – to fakt, że ma on naturalną ochronę przed błędami, która naszym zdaniem pomoże w jego skalowaniu. Właściwość ta wynika z faktu, że informacja kodowana przez kubit jest w pewnym sensie podzielona na cztery mody zerowe Majorany, po jednym na każdym końcu dwóch nanodrutów. Jeśli natura spróbuje zakłócić choćby jeden z trybów zerowych Majorany, w rzeczywistości nie zaszkodzi to stanowi kwantowemu. Natomiast w przypadku kubitu nadprzewodzącego stan kwantowy jest utrzymywany w jednym punkcie, więc jeśli w tym punkcie pojawi się szum, stan ulega dekoherencji. W przeciwieństwie do tego, nasz kubit topologiczny ma wbudowany pewien stopień korekcji błędów lub tolerancji na błędy.
W którym momencie będzie można uruchomić problem na przykład na kubitach topologicznych Microsoftu, a następnie powtórzyć eksperyment, używając kubitu innego typu i upewnić się, że otrzymamy ten sam wynik?
Podoba mi się kierunek, w jakim zmierzasz, i z radością mogę Ci powiedzieć, że możemy tego dokonać już dziś. W rzeczywistości na tym właśnie polega piękno platformy Azure Quantum — oferuje ona użytkownikom możliwość uruchomienia tego samego kodu na wielu komputerach kwantowych za pośrednictwem dostępnej przez nas usługi w chmurze. Możesz napisać pojedynczy fragment kodu – być może będzie to mała instancja algorytmu Azure, a może będzie to kwantowy odpowiednik „witaj, świecie” – i uruchomić go na sprzęcie opracowanym przez takie firmy jak Quantinium i IonQ. Obie są platformami pułapek jonowych, ale z którymi również współpracujemy Quantum Circuits Inc. (QCI), który wykorzystuje nadprzewodzącą platformę kubitową, a my mamy nadprzewodzącą platformę kubitową opartą na półprzewodnikach krzemowych firmy Obliczenia Rigetti oraz platformę procesorów kwantowych z atomami neutralnymi Pascal, oba wkrótce będą dostępne online.
Mamy więc pięć różnych platform sprzętu kwantowego dostępnych na platformie Azure, a naprawdę fajną rzeczą jest elastyczność, jaką zapewnia kod. Możesz zapisać swój algorytm kwantowy Q#, który jest językiem wysokiego poziomu do tworzenia algorytmów. To byłby mój wybór, ale możesz też przyjść z własnymi kodami. Na przykład, jeśli problem wystąpił już wcześniej na jednym z urządzeń IBM i masz je Qiskit kod już napisany, możesz po prostu wykonać ten kod również w naszym systemie. Możesz wybrać dowolną z pięciu platform sprzętowych, a ona skompiluje dla Ciebie kod do dowolnego wybranego „zaplecza”.
Oznacza to, że możesz uruchomić tę samą aplikację na wszystkich urządzeniach zaplecza i zobaczyć, jak się zachowuje. Ponieważ oczywiście urządzenia te mają różną architekturę, inną łączność, a nawet różne prędkości i wierności działania. Dzięki platformie Azure możesz dowiedzieć się wszystkiego o tych różnicach i podobieństwach.
Czy planujesz wprowadzić dodatkowe platformy sprzętowe?
Tak, naprawdę wierzymy w demokratyzację obliczeń kwantowych poprzez zaangażowanie społeczności w rozwój ekosystemu. Większość naszego kodu i narzędzi platformowych to narzędzia typu open source, a poza tym, że mamy wielu dostawców sprzętu, mamy całą gamę symulatorów pochodzących od naszych partnerów. Są to programy, które pomogą Ci sprawdzić, jak Twój kod będzie działał na danej platformie sprzętowej, zanim go uruchomisz. Dysponujemy także tak zwanymi estymatorami zasobów, których możesz użyć, jeśli chcesz wiedzieć, ile będzie kosztować uruchomienie algorytmu po zwiększeniu skali maszyn lub jak duża maszyna będzie Ci potrzebna.
Dalszy ekscytujący rozwój to coś, co nazywamy Kwantowa reprezentacja pośrednia (QIR), co pozwala Ci pobrać dowolny język wysokiego poziomu (wybierz swój ulubiony), zmapować go do QIR i wysłać do dowolnej liczby dostawców back-endu. Uważamy to za ważną warstwę w globalnym stosie oprogramowania, ponieważ ułatwia tłumaczenie lub mapowanie na inny sprzęt.
Można myśleć o QIR jako o uniwersalnym języku warstwy środkowej, który umożliwia komunikację między językami wysokiego poziomu i maszynami. Wiele organizacji już to przyjęło. Został opracowany w ramach sojuszu za pośrednictwem Fundacja Wspólnego Rozwoju Fundacji Linux. W rzeczywistości QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia i Oak Ridge National Laboratory wszyscy ogłosili, że zamierzają budować swoje kompilatory poprzez QIR.
A to wszystko jest częścią tzw LLVM, który jest bardzo popularnym klasycznym frameworkiem kompilatora, dzięki czemu pozwala na wykorzystanie narzędzi do kompilacji i optymalizacji z klasycznej branży komputerowej. To naprawdę obniża koszty pisania tłumaczeń. W przeciwnym razie musiałbyś napisać nowy kod dla każdego języka na każdym backendzie, co byłoby bardzo kosztowne.
Rynek kwantowy jest obecnie na interesującym etapie. Wygląda na to, że co tydzień powstają nowe firmy kwantowe, ale faza ogromnego boomu ma miejsce, zanim technologia tak naprawdę się ugruntuje. Martwisz się, że będzie klapa?
Wierzę, że potrzebujemy wielu, wielu umysłów przy stole, aby udoskonalić tę technologię i przyspieszyć nasz postęp. Tradycyjnie w przypadku tego typu technologii postęp mierzono w dziesięcioleciach. Pomyśl tylko, ile czasu zajęło przejście od wynalezienia tranzystora do powstania telefonów komórkowych i iPhone'ów. Nie chcemy tego w przypadku obliczeń kwantowych. Chcemy to przyspieszyć.
Wierzę, że potrzebujemy wielu, wielu umysłów przy stole, aby udoskonalić tę technologię i przyspieszyć nasz postęp
Dobra wiadomość jest taka, że mamy ogromne zalety – mamy już oprogramowanie i klasyczne komputery. Nasi poprzednicy nie mieli możliwości modelowania tego, co robili, przechodząc od lamp próżniowych przez tranzystory do układów scalonych. Nie mieli do pomocy klasycznych komputerów, my mamy je na wyciągnięcie ręki. Kiedy widzę, jak ekosystem się rozwija – więcej firm, więcej start-upów, więcej programów studiów uniwersyteckich – postrzegam to jako dokładnie to, czego potrzebujemy.
Zamiast więc skupiać się na tym, czy nastąpi krach czy „kwantowa zima”, skupiam się na angażowaniu tych liderów, wprowadzaniu innowatorów do stołu i demokratyzowaniu technologii kwantowej, abyśmy mogli szybko znaleźć rozwiązania. Jeśli wykażemy postęp, nie będzie zimy kwantowej i uważam, że możemy osiągnąć ten postęp we wszystkich obszarach, od urządzeń i maszyn po oprogramowanie i aplikacje.
Czy masz już na myśli datę „Q-day” – czyli dnia, w którym pierwszy praktyczny komputer zostanie udostępniony online?
Komputery kwantowe są już online. Znajdują się one na platformie Azure i możesz uzyskać do nich dostęp. Jednak tempo, w jakim będziemy zwiększać skalę i osiągać przewagę kwantową, zależy od tego, czy wszyscy się zaangażują i dołączą do akcji. W Microsoft pracujemy tak szybko, jak to możliwe, aby skalować maszynę i platformę, ale jesteśmy też zależni od ludzi opracowywanie algorytmów wymagających mniejszej liczby kubitów – być może poprzez wskoczenie i użycie QIR do stworzenia lepszego stosu kompilacji. Postęp polega na wprowadzaniu zmian z obu stron, ulepszaniu maszyny, a także obniżaniu kosztów algorytmów. To właśnie zmieni harmonogram i przyspieszy dzień, w którym zobaczymy praktyczną przewagę kwantową.
