Krysta Svore, vice-presidente da Microsoft Quantum, fala com o Comissariado Tushna sobre a jornada da empresa em direção à vantagem quântica
Em todo o mundo, pequenas e grandes empresas estão a competir para desenvolver e lançar tecnologias de computação baseadas na física quântica. Embora os princípios básicos já estejam em vigor há algumas décadas, os investigadores, a indústria e os governos estão todos a trabalhar no sentido de construir e ampliar computadores quânticos práticos, sendo a empresa tecnológica norte-americana Microsoft um interveniente fundamental.
No início deste ano, o ilustre engenheiro e chefe de Equipe Quantum da Microsoft, Krysta Svore, fez uma palestra em The Economist Comercializando Quantum da revista evento em Londres. Mais tarde ela alcançou Mundo da física para discutir o caminho da empresa em direção a um sistema quântico escalável – de qubits topológicos a Azure da Microsoft plataforma quântica de computação em nuvem e parcerias híbridas, para o mercado quântico como um todo.
O que a Microsoft está fazendo no mundo quântico agora?
Uma das questões que estamos considerando é como acelerar a jornada rumo à vantagem quântica. O que quero dizer com vantagem quântica é, em primeiro lugar, que queremos ser capazes de resolver problemas que sejam significativos e que ajudem a fazer avançar a nossa sociedade. Tenho uma filha e quero mudar o futuro dela. Não quero deixar para ela esses desafios hercúleos relacionados à sustentabilidade, às mudanças climáticas, à energia e à descoberta de melhores maneiras de usar os recursos do nosso planeta.
Com a computação quântica, há esperança de que possamos começar a resolver alguns desses problemas, mas não seremos capazes de fazê-lo com um computador quântico como máquina autônoma. Para descobrir como melhorar a fixação de nitrogênio ou capturar dióxido de carbono e convertê-lo em metanol, por exemplo, você realmente precisa de uma solução híbrida, que integre a computação quântica a um supercomputador clássico. Então é nisso que estamos construindo Microsoft com nosso sistema Azure de computação em nuvem. Nosso objetivo é produzir um supercomputador híbrido, heterogêneo, alimentado por IA e quântico, que apresentará soluções para esses tipos de problemas.
Também estamos pensando em nossa plataforma de software. Estudamos algoritmos quânticos há anos, então pegamos o que aprendemos sobre como otimizá-los e compilá-los e trouxemos esse conhecimento para nossa plataforma. Neste momento, com o Azure, você pode testar pequenos problemas em um conjunto diversificado de hardware real fornecido por nossos diversos parceiros. Mas você também pode escrever aplicativos, desenvolver seu código, decidir o tamanho do computador quântico necessário e descobrir como ele funcionará junto com um computador clássico. Você pode realizar essa integração e começar a depurar o código agora, porque esse código permanecerá válido à medida que as máquinas forem ampliadas e se tornarem totalmente integradas à nuvem.
Qual é a sua visão sobre como chegaremos a uma escala em que possamos fazer algo significativo com um computador quântico?
A Microsoft tem pensado em escala desde o início. Estudamos algoritmos quânticos; estudamos física; trabalhamos em toda a arquitetura do sistema, do software ao hardware. E o que aprendemos sobre escala é que precisamos perguntar algo diferente sobre nossos qubits e nossa máquina quântica.
Ao longo de décadas de pesquisa, identificamos que uma máquina de sucesso precisa de três características principais. Primeiro, precisa ter o tamanho certo. O qubit precisa ser pequeno o suficiente para caber um milhão em um wafer, para que a máquina não acabe sendo do tamanho de um arranha-céu. Em seguida, precisa ter a velocidade certa. A máquina precisa ser rápida o suficiente para que, quando você executa bilhões de operações, todas elas possam ser concluídas em questão de semanas, de modo que não esperemos mais de um mês pela solução completa, de ponta a ponta, combinando soluções clássicas e elementos quânticos. Finalmente, precisamos de um qubit que seja confiável o suficiente à medida que aumentamos; aquele que não consumirá tantos recursos porque estamos aproveitando as propriedades naturais e intrínsecas do qubit para corrigir erros. É isso que nos permitirá executar bilhões de operações.
Na Microsoft, identificamos e projetamos um qubit que consideramos adequado em todos esses aspectos: o qubit topológico. E nos últimos meses, compartilhamos alguns progressos realmente interessantes que fizemos na criação deste qubit. Em essência, projetamos dispositivos que demonstram essa física muito evasiva que tem sido formulada como hipótese há um século, por meio da qual os chamados Os modos zero de Majorana emergem no final dos fios em nanoescala. Esta é uma assinatura do tipo de física que precisamos para demonstrar um qubit topológico, por isso é um marco muito significativo tanto para a ciência quanto para a construção da base que precisamos para dizer: “Ok, alcançaremos um milhão de qubits”.
Conte-me mais sobre esse qubit topológico. Como é quando se trata de robustez? Precisa estar em temperaturas criogênicas?
Sim, ele opera em temperaturas criogênicas, portanto, nesse aspecto, é muito parecido com alguns outros qubits da indústria, como os qubits supercondutores. Está em um refrigerador de diluição e 100 mK é aproximadamente a faixa de temperatura. Em termos de robustez, isso é algo em que trabalharemos em nossa próxima demonstração. O que mostramos até agora é a física fundamental subjacente e as propriedades dos modos zero de Majorana, mas agora precisamos criar um qubit a partir disso.. Com isso quero dizer algo com o qual você pode realizar operações; algo que você pode controlar e ler. Depois de fazermos isso, seremos capazes de medi-lo e dizer: “Ok, aqui está o seu tempo de vida. Veja como isso é coerente.
Mas o que é maravilhoso sobre o qubit topológico – e a razão pela qual investimos tanto nele – é que ele tem essa proteção natural contra erros que acreditamos que o ajudará a escalar. Esta propriedade decorre do fato de que a informação que o qubit codifica é, de certa forma, dividida em quatro modos zero de Majorana, um em cada extremidade de dois nanofios. Se a natureza tentar perturbar apenas um desses modos zero de Majorana, isso não prejudicará realmente o estado quântico. Em contraste, com um qubit supercondutor, o estado quântico é mantido em um único ponto; portanto, se houver ruído nesse ponto, o estado será decoerido. Ao contrário disso, temos um grau de correção de erros ou tolerância a falhas incorporado em nosso qubit topológico.
Em que ponto você será capaz de resolver um problema, digamos, nos qubits topológicos da Microsoft e, em seguida, repetir o experimento usando um tipo diferente de qubit e garantir que obteremos o mesmo resultado?
Adoro o rumo que você está tomando com isso e estou feliz em dizer que podemos fazer isso hoje. Na verdade, isso faz parte da beleza do Azure Quantum – oferece às pessoas a oportunidade de executar o mesmo código em vários computadores quânticos, através do serviço de nuvem que temos. Você pode escrever um único trecho de código – talvez seja uma pequena instância do algoritmo do Azure, talvez seja o equivalente quântico de “olá mundo” – e executá-lo em hardware desenvolvido por empresas como quântico e IonQ. Ambas são plataformas de armadilha de íons, mas também estamos fazendo parceria com (QCI), que usa uma plataforma qubit supercondutora, e temos uma plataforma qubit supercondutora baseada em semicondutor de silício de Computação Rigetti e uma plataforma de processador quântico de átomo neutro da Pascal, ambos estarão online em breve.
São cinco plataformas diferentes de hardware quântico disponíveis no Azure, e o que é realmente interessante é a flexibilidade que você tem com o código. Você pode escrever seu algoritmo quântico em Q#, que é uma linguagem de alto nível para desenvolvimento de algoritmos. Essa seria minha escolha, mas você também pode entrar com seus próprios códigos. Por exemplo, se você já executou seu problema em um dos dispositivos IBM e tem o seu Kiskit código já escrito, então você pode simplesmente executar esse código também em nosso sistema. Você pode selecionar qualquer uma das cinco plataformas de hardware e ele compilará o código para você em qualquer “back-end” que você escolher.
Isso significa que você pode executar o mesmo aplicativo em todos os dispositivos back-end e ver como ele se comporta. Porque é claro que esses dispositivos possuem arquiteturas diferentes, conectividades diferentes e até velocidades e fidelidades de operação diferentes. Através do Azure, você pode aprender tudo sobre essas diferenças e semelhanças.
Você está planejando trazer plataformas de hardware adicionais?
Sim, realmente acreditamos na democratização da computação quântica, trazendo a comunidade para fazer crescer o ecossistema. Grande parte de nosso código e ferramentas de plataforma são de código aberto e, além de vários fornecedores de hardware, temos uma grande variedade de simuladores vindos de nossos parceiros. São programas que ajudam você a descobrir como seu código será executado em uma determinada plataforma de hardware, antes de executá-lo. Também temos os chamados estimadores de recursos, que você pode usar se quiser saber quanto custará a execução de um algoritmo quando as máquinas aumentarem de escala, ou qual o tamanho da máquina necessária.
Outro desenvolvimento emocionante é algo que chamamos Representação Quântica Intermediária (QIR), que permite que você pegue qualquer linguagem de alto nível (escolha a sua favorita), mapeie-a para QIR e envie-a para qualquer número de provedores de back-end. Vemos isso como uma camada importante na pilha global de software, pois é algo que facilita a tradução ou mapeamento em diferentes hardwares.
Você pode pensar no QIR como uma linguagem universal de camada intermediária que permite a comunicação entre linguagens e máquinas de alto nível. Muitas organizações já o adotaram. Foi desenvolvido como parte de uma aliança através do Fundação Conjunta de Desenvolvimento da Linux Foundation. Na verdade, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia e Laboratório Nacional de Oak Ridge todos anunciaram que construirão seus compiladores por meio do QIR.
E tudo faz parte do que é chamado LLVM, que é uma estrutura de compilador clássico muito popular, por isso permite aproveitar ferramentas de compilação e otimização da indústria de computação clássica. Isso realmente reduz o custo de escrever traduções. Caso contrário, você teria que escrever um novo código para cada linguagem em cada back-end, o que seria muito caro.
O mercado quântico está em um estágio interessante no momento. Parece que todas as semanas são lançadas novas empresas quânticas, mas esta fase de enorme crescimento está a ocorrer antes de a tecnologia se estabelecer realmente. Você está preocupado com a possibilidade de haver uma falência?
Acredito que precisamos de muitas, muitas mentes à mesa para fazer avançar esta tecnologia e acelerar o nosso progresso. Tradicionalmente, com este tipo de tecnologia, os avanços seriam medidos em décadas. Basta pensar no tempo que levou para passar da invenção do transistor à existência de telefones celulares e iPhones. Não queremos isso com a computação quântica. Queremos acelerar isso.
Acredito que precisamos de muitas, muitas mentes à mesa para fazer avançar esta tecnologia e acelerar o nosso progresso
A boa notícia é que temos enormes vantagens – já temos software e computadores clássicos. Nossos antecessores não tiveram a capacidade de modelar o que estavam fazendo quando passaram de válvulas a vácuo para transistores e circuitos integrados. Eles não tinham computadores clássicos para ajudá-los, mas nós os temos ao nosso alcance. Quando vejo o ecossistema crescer – mais empresas, mais start-ups, mais programas universitários – vejo-o exatamente como o que precisamos.
Portanto, em vez de me concentrar em saber se haverá uma quebra ou um “inverno quântico”, concentro-me em envolver esses líderes de pensamento, trazendo esses inovadores para a mesa e democratizando a tecnologia quântica para que possamos encontrar soluções rapidamente. Se mostrarmos progressos, não haverá um inverno quântico, e acredito que podemos fazer esse progresso em todas as áreas, desde dispositivos e máquinas até software e aplicações.
Você tem uma data em mente para o “dia Q” – ou seja, o dia em que o primeiro computador prático entrará online?
Os computadores quânticos já estão online. Eles estão no Azure e você pode acessá-los. Mas a velocidade com que aumentamos e alcançamos vantagem quântica depende do envolvimento e da participação de todos. Na Microsoft, estamos correndo o mais rápido possível para expandir a máquina e a plataforma, mas também dependemos das pessoas. desenvolver algoritmos que requerem menos qubits – talvez entrando e usando QIR para criar uma pilha de compilação melhor. Progresso significa fazer a diferença em ambos os lados, melhorando a máquina e também reduzindo o custo dos algoritmos. É isso que mudará o cronograma e acelerará o dia em que veremos vantagens quânticas práticas.
