Демократизация квантовой экосистемы: Криста Своре из Microsoft на пути к масштабируемому квантовому компьютеру

По всему миру как малые, так и крупные фирмы стремятся разрабатывать и запускать вычислительные технологии, основанные на квантовой физике. Хотя основные принципы существуют уже несколько десятилетий, исследователи, промышленность и правительства работают над созданием и расширением практических квантовых компьютеров, при этом американская технологическая фирма Microsoft является ключевым игроком. 

Ранее в этом году выдающийся инженер и руководитель Команда Microsoft Quantum, Криста Своревыступил с основным докладом на The Economist Журнал «Коммерциализация квантов» мероприятие в Лондоне. Позже она догнала Мир физики обсудить путь фирмы к масштабируемой квантовой системе – от топологических кубитов к Microsoft Azure платформы квантовых облачных вычислений и гибридных партнерств для квантового рынка в целом. 

Что сейчас делает Microsoft в квантовом мире?

Один из вопросов, которые мы рассматриваем, — как ускорить путь к квантовому преимуществу. Под квантовым преимуществом я подразумеваю, прежде всего, то, что мы хотим иметь возможность решать значимые проблемы, которые помогут продвинуть наше общество вперед. У меня есть дочь, и я хочу изменить ее будущее – я не хочу оставлять ей эти геркулесовы проблемы, связанные с устойчивым развитием, изменением климата, энергетикой и поиском лучших способов использования ресурсов нашей планеты. 

Есть надежда, что с помощью квантовых вычислений мы сможем начать решать некоторые из этих проблем, но мы не сможем сделать это, используя квантовый компьютер как автономную машину. Чтобы придумать, как улучшить фиксацию азота или, например, улавливать углекислый газ и превращать его в метанол, вам действительно нужно гибридное решение, которое интегрирует квантовые вычисления в классический суперкомпьютер. Вот что мы строим Microsoft с нашей системой облачных вычислений Azure. Мы стремимся создать гибридный гетерогенный суперкомпьютер на базе искусственного интеллекта и квантовой энергии, который предложит решения подобных проблем. 

Мы также думаем о нашей программной платформе. Мы изучаем квантовые алгоритмы в течение многих лет, поэтому взяли все, что узнали о том, как их оптимизировать и компилировать, и применили эти знания на нашей платформе. Прямо сейчас с помощью Azure вы можете опробовать небольшие задачи на разнообразном наборе реального оборудования, поставляемого нашими различными партнерами. Но вы также можете писать приложения, разрабатывать свой код, решать, насколько большой квантовый компьютер вам понадобится, и решать, как он будет работать рядом с классическим. Вы можете выполнить эту интеграцию и начать отладку кода прямо сейчас, поскольку этот код останется действительным по мере масштабирования компьютеров и полной интеграции с облаком.

Как вы думаете, как мы доберемся до масштабов, когда мы сможем сделать что-то значимое с помощью квантового компьютера?

Microsoft с самого начала думала о масштабах. Мы изучали квантовые алгоритмы; мы изучали физику; мы работали над всей архитектурой системы, от программного обеспечения до аппаратного обеспечения. И что мы узнали о масштабе, так это то, что нам нужно требовать чего-то другого от наших кубитов и нашей квантовой машины. 

За десятилетия исследований мы пришли к выводу, что успешная машина должна обладать тремя ключевыми характеристиками. Во-первых, он должен быть подходящего размера. Кубит должен быть достаточно маленьким, чтобы на пластине можно было разместить миллион, чтобы машина не стала размером с небоскреб. Далее, нужна правильная скорость. Машина должна быть достаточно быстрой, чтобы при выполнении миллиардов операций все они могли быть завершены за считанные недели, так что нам не придется ждать более месяца, пока появится полное комплексное решение, сочетающее в себе классические и квантовые элементы. Наконец, нам нужен кубит, который будет достаточно надежным при масштабировании; тот, который не будет потреблять так много ресурсов, потому что мы используем преимущества естественных, внутренних свойств кубита для исправления ошибок. Это то, что позволит нам выполнять миллиарды операций. 

В Microsoft мы определили и разработали кубит, который, по нашему мнению, подходит по всем этим пунктам: топологический кубит. И за последние несколько месяцев мы поделились действительно впечатляющим прогрессом, которого мы достигли в создании этого кубита. По сути, мы разработали устройства, которые демонстрируют эту неуловимую физику, гипотезы о которой выдвигались на протяжении столетия, посредством чего так называемые На концах нанопроводов возникают нулевые моды Майораны. Это признак того типа физики, который нам нужен для демонстрации топологического кубита, поэтому это очень важная веха как для науки, так и для создания фундамента, который нам нужен, чтобы сказать: «Хорошо, мы достигнем миллиона кубитов». 

Расскажите мне больше об этом топологическом кубите. Каково это, когда дело доходит до надежности? Должна ли она находиться при криогенных температурах?

Да, он работает при криогенных температурах, поэтому в этом отношении он очень похож на некоторые другие кубиты в отрасли, например, на сверхпроводящие кубиты. Он находится в холодильнике для разбавления, а 100 мК — это примерно температурный диапазон. Что касается надежности, мы будем работать над этим для нашей следующей демонстрации. До сих пор мы показали фундаментальную физику и свойства нулевых мод Майораны, но теперь нам нужно создать из этого кубит.. Под этим я подразумеваю то, с чем вы можете выполнять операции; что-то, что вы можете контролировать и считывать. Как только мы это сделаем, мы сможем измерить его и сказать: «Хорошо, вот срок его службы. Вот насколько это последовательно». 

Но что замечательно в топологическом кубите – и причина, по которой мы так в него вкладываемся – это то, что он имеет естественную защиту от ошибок, которая, по нашему мнению, поможет ему масштабироваться. Это свойство связано с тем, что информация, которую кодирует кубит, в некотором смысле разделена на четыре нулевые моды Майораны, по одной на каждом конце двух нанопроволок. Если природа попытается нарушить хотя бы одну из нулевых мод Майораны, это на самом деле не повредит квантовому состоянию. Напротив, в сверхпроводящем кубите квантовое состояние удерживается в одной точке, поэтому, если в этой точке появляется шум, состояние декогерируется. В отличие от этого, у нас есть степень исправления ошибок или отказоустойчивости, встроенная в наш топологический кубит.

В какой момент вы сможете запустить задачу, скажем, на топологических кубитах Microsoft, а затем повторить эксперимент, используя кубит другого типа, и убедиться, что мы получим тот же результат? 

Мне нравится, к чему вы движетесь, и я рад сообщить вам, что мы можем сделать это сегодня. Фактически, в этом и есть прелесть Azure Quantum — он предлагает людям возможность запускать один и тот же код на нескольких квантовых компьютерах через нашу облачную службу. Вы можете написать один фрагмент кода — может быть, это небольшой экземпляр алгоритма Azure, может быть, это квантовый эквивалент «привет, мир» — и запустить его на оборудовании, разработанном такими компаниями, как квантинуум и ИонКью. Обе платформы являются ионными ловушками, но мы также сотрудничаем с Quantum Circuits Inc. (QCI), в котором используется платформа сверхпроводящих кубитов, и у нас есть платформа сверхпроводящих кубитов на основе кремниевых полупроводников от Rigetti Computing и платформа квантового процессора на нейтральных атомах от Паскаль, оба из которых скоро появятся в сети.

Итак, через Azure доступны пять различных квантово-аппаратных платформ, и что действительно приятно, так это гибкость, которую вы получаете с кодом. Вы можете написать свой квантовый алгоритм в Q# — язык высокого уровня для разработки алгоритмов.. Это мой выбор, но вы также можете войти со своими кодами. Например, если вы ранее запускали свою проблему на одном из устройств IBM и у вас есть их Кискит код уже написан, то вы можете просто выполнить и этот код в нашей системе. Вы можете выбрать любую из пяти аппаратных платформ, и она скомпилирует для вас код в зависимости от того, какой «серверной части» вы выберете.

Это означает, что вы можете запустить одно и то же приложение на всех этих серверных устройствах и посмотреть, как оно себя ведет. Конечно, эти устройства имеют разную архитектуру, разные возможности подключения и даже разную скорость работы и точность воспроизведения. С помощью Azure вы можете узнать все об этих различиях и сходствах.

Планируете ли вы внедрение дополнительных аппаратных платформ?

Да, мы действительно верим в демократизацию квантовых вычислений за счет привлечения сообщества к развитию экосистемы. Большая часть нашего кода и инструментов платформы имеют открытый исходный код, и помимо множества поставщиков оборудования у нас есть целый ряд симуляторов от наших партнеров. Это программы, которые помогают вам определить, как ваш код будет работать на данной аппаратной платформе, прежде чем вы его выполните. У нас также есть так называемые средства оценки ресурсов, которые вы можете использовать, если хотите узнать, во сколько вам обойдется запуск алгоритма после масштабирования машин или насколько большая машина вам понадобится. 

Дальнейшее интересное развитие — это то, что мы называем Квантовое промежуточное представление (QIR), который позволяет вам взять любой язык высокого уровня (выберите свой любимый), сопоставить его с QIR и отправить любому количеству серверных провайдеров. Мы рассматриваем это как важный уровень в глобальном стеке программного обеспечения, поскольку это облегчает трансляцию или отображение на другое оборудование.

Вы можете думать о QIR как об универсальном языке промежуточного уровня, который обеспечивает связь между языками высокого уровня и машинами. Многие организации уже приняли его. Он был разработан в рамках альянса через Фонд совместного развития Linux Foundation. Фактически, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia и Национальная лаборатория Ок-Ридж все объявили, что собираются создавать свои компиляторы с помощью QIR.

И все это часть того, что называется LLVM, который является очень популярной классической средой компилятора, поэтому позволяет использовать инструменты компиляции и оптимизации из индустрии классических вычислений. Это действительно снижает затраты на написание переводов. В противном случае вам пришлось бы писать новый код для каждого языка и каждой серверной части, что было бы очень дорого.

Квантовый рынок сейчас находится на интересном этапе. Кажется, что каждую неделю появляются новые квантовые компании, но эта фаза массового бума происходит до того, как технология действительно утвердилась. Вы боитесь, что произойдет обвал?

Я считаю, что нам нужно много-много умов, чтобы продвигать эту технологию и ускорять наш прогресс. Традиционно успехи такого типа технологий измерялись десятилетиями. Только подумайте, сколько времени потребовалось, чтобы пройти путь от изобретения транзистора до появления сотовых телефонов и iPhone. Мы не хотим этого с квантовыми вычислениями. Мы хотим ускорить его. 

Я считаю, что нам нужно много-много умов за столом переговоров, чтобы продвигать эту технологию и ускорять наш прогресс.

Хорошая новость в том, что у нас есть огромные преимущества: у нас уже есть программное обеспечение и классические компьютеры. Наши предшественники не имели возможности моделировать то, что они делали, когда переходили от электронных ламп к транзисторам и интегральным схемам. У них не было классических компьютеров, которые могли бы им помочь, тогда как у нас они есть под рукой. Когда я вижу, что экосистема растет – больше компаний, больше стартапов, больше университетских программ – я считаю, что это именно то, что нам нужно.

Поэтому вместо того, чтобы сосредоточиться на том, будет ли кризис или «квантовая зима», я сосредотачиваюсь на привлечении этих лидеров мнений, привлечении этих новаторов за стол переговоров и демократизации квантов, чтобы мы могли быстро найти решения. Если мы покажем прогресс, квантовой зимы не будет, и я верю, что мы сможем добиться этого прогресса во всех областях: от устройств и машин до программного обеспечения и приложений.

Планируете ли вы дату «дня Q» — то есть дня, когда первый практический компьютер появится в сети?

Квантовые компьютеры уже онлайн. Они находятся в Azure, и вы можете получить к ним доступ. Но скорость, с которой мы масштабируемся и достигаем квантового преимущества, зависит от того, насколько активно и активно будут участвовать все. В Microsoft мы работаем изо всех сил, чтобы увеличить масштаб машины и масштабировать платформу, но мы также зависим от людей. разработка алгоритмов, требующих меньше кубитов – возможно, путем использования QIR для создания лучшего стека компиляции. Прогресс заключается в том, чтобы изменить ситуацию с обеих сторон, улучшить машину, а также снизить стоимость алгоритмов. Именно это изменит график и приблизит тот день, когда мы увидим практическое квантовое преимущество.