Demokratizacija kvantnega ekosistema: Microsoftova Krysta Svore na poti do razširljivega kvantnega računalnika

Po vsem svetu mala in velika podjetja tekmujejo za razvoj in lansiranje računalniških tehnologij, ki temeljijo na kvantni fiziki. Čeprav osnovna načela veljajo že nekaj desetletij, si raziskovalci, industrija in vlade vsi prizadevajo zgraditi in razširiti praktične kvantne računalnike, pri čemer je ameriško tehnološko podjetje Microsoft ključni igralec. 

V začetku tega leta je ugledni inženir in vodja Microsoftova ekipa Quantum, Krysta Svore, imel osrednjo besedo na Ekonomist revije Commercializing Quantum dogodek v Londonu. Pozneje se je ujela Svet fizike razpravljati o poti podjetja do razširljivega kvantnega sistema – od topoloških kubitov do Microsoftov Azure platformo kvantnega računalništva v oblaku in hibridna partnerstva, na kvantni trg kot celoto. 

Kaj Microsoft trenutno počne v kvantnem svetu?

Eno od vprašanj, o katerih razmišljamo, je, kako pospešiti pot do kvantne prednosti. Kar mislim s kvantno prednostjo, je najprej to, da želimo biti sposobni rešiti probleme, ki so pomembni in bodo pomagali premakniti našo družbo naprej. Imam hčerko in želim ji spremeniti prihodnost – ne želim ji pustiti teh herkulovskih izzivov, povezanih s trajnostjo, podnebnimi spremembami, energijo in iskanjem boljših načinov za uporabo virov na našem planetu. 

S kvantnim računalništvom obstaja upanje, da bomo lahko začeli reševati nekatere od teh težav, vendar tega ne bomo mogli narediti s kvantnim računalnikom kot samostojnim strojem. Če želite na primer ugotoviti, kako izboljšati fiksacijo dušika ali zajeti ogljikov dioksid in ga pretvoriti v metanol, resnično potrebujete hibridno rešitev, ki integrira kvantno računalništvo v klasični superračunalnik. Torej na tem gradimo Microsoft z našim sistemom Azure za računalništvo v oblaku. Prizadevamo si izdelati hibridni, heterogeni superračunalnik s kvantnim pogonom, ki ga poganja AI in bo ponudil rešitve za tovrstne težave. 

Razmišljamo tudi o naši programski platformi. Že leta preučujemo kvantne algoritme, zato smo vzeli tisto, kar smo se naučili o tem, kako jih optimizirati in prevesti, ter to znanje prenesli na našo platformo. Trenutno lahko z Azure preizkusite majhne težave na raznolikem nizu prave strojne opreme, ki jo dobavljajo naši različni partnerji. Lahko pa tudi pišete aplikacije, razvijate svojo kodo, se odločite, kako velik kvantni računalnik potrebujete, in ugotovite, kako bo deloval skupaj s klasičnim. To integracijo lahko izvedete in začnete odpravljati napake v kodi zdaj, ker bo ta koda ostala veljavna, ko se stroji povečajo in postanejo popolnoma integrirani z oblakom.

Kakšna je vaša vizija o tem, kako priti do obsega, kjer lahko naredimo nekaj pomembnega s kvantnim računalnikom?

Microsoft že od začetka razmišlja o obsegu. Preučevali smo kvantne algoritme; študirali smo fiziko; delali smo na celotni sistemski arhitekturi od programske do strojne opreme. Kar smo se naučili o obsegu, je, da moramo od naših kubitov in našega kvantnega stroja zahtevati nekaj drugega. 

V desetletjih raziskav smo ugotovili, da uspešen stroj potrebuje tri ključne značilnosti. Najprej mora biti prave velikosti. Qubit mora biti dovolj majhen, da ga lahko spravite milijon na rezino, tako da stroj ne bo na koncu velik kot nebotičnik. Nato mora biti prava hitrost. Stroj mora biti dovolj hiter, da so lahko, ko izvajate milijarde operacij, vse dokončane v nekaj tednih, tako da ne čakamo več kot en mesec na popolno rešitev od konca do konca, ki združuje klasično in kvantnih elementov. Končno potrebujemo qubit, ki je dovolj zanesljiv, ko se povečujemo; tak, ki ne bo porabil toliko virov, ker izkoriščamo prednosti naravnih intrinzičnih lastnosti kubita za odpravljanje napak. To je tisto, kar nam bo omogočilo izvajanje milijard operacij. 

Pri Microsoftu smo prepoznali in zasnovali kubit, za katerega menimo, da je pravšnji glede vseh teh vidikov: topološki kubit. In v zadnjih nekaj mesecih smo delili nekaj res vznemirljivega napredka, ki smo ga dosegli pri ustvarjanju tega qubita. V bistvu smo izdelali naprave, ki prikazujejo to zelo izmuzljivo fiziko, o kateri se domneva že stoletje, pri čemer t.i. Ničelni načini Majorana se pojavijo na koncu žic v nanometrskem merilu. To je podpis vrste fizike, ki jo potrebujemo za prikaz topološkega kubita, zato je zelo pomemben mejnik tako za znanost kot za izgradnjo temeljev, ki jih moramo reči: "V redu, dosegli bomo milijon kubitov." 

Povej mi več o tem topološkem kubitu. Kako je, ko gre za robustnost? Ali mora biti pri kriogenih temperaturah?

Da, deluje pri kriogenih temperaturah, tako da je v tem pogledu zelo podoben nekaterim drugim kubitom v industriji, kot so superprevodni kubiti. Je v hladilniku za redčenje in 100 mK je približno temperaturno območje. Kar zadeva robustnost, je to nekaj, na čemer bomo delali za našo naslednjo predstavitev. Kar smo doslej pokazali, je temeljna temeljna fizika in lastnosti ničelnih načinov Majorana, zdaj pa moramo iz tega ustvariti kubit. S tem mislim nekaj, s čimer lahko izvajate operacije; nekaj, kar lahko nadzorujete in preberete. Ko to storimo, ga bomo lahko izmerili in rekli: »V redu, tukaj je njegova življenjska doba. Evo, kako koherentno je.” 

Toda tisto, kar je čudovito pri topološkem kubitu – in razlog, zakaj smo tako vloženi vanj – je, da ima to naravno zaščito pred napakami, za katero verjamemo, da bo pomagala pri njegovem obsegu. Ta lastnost izhaja iz dejstva, da so informacije, ki jih kodira kubit, v nekem smislu razdeljene na štiri ničelne načine Majorana, enega na vsakem koncu dveh nanožic. Če narava poskuša zmotiti le enega od teh ničelnih načinov Majorane, to dejansko ne bo škodilo kvantnemu stanju. Nasprotno pa je pri superprevodnem kubitu kvantno stanje v eni sami točki, tako da če na tej točki dobite šum, se stanje dekoherira. Za razliko od tega imamo določeno stopnjo popravljanja napak ali tolerance napak, ki je vgrajena v naš topološki kubit.

Na kateri točki boste lahko zagnali problem na, recimo, Microsoftovih topoloških kubitih in nato ponovili poskus z uporabo druge vrste kubitov ter zagotovili, da bomo dobili enak rezultat? 

Všeč mi je, kam ste namenjeni s tem, in vesel sem, da vam lahko povem, da lahko to storimo že danes. Pravzaprav je to del lepote Azure Quantum – ljudem ponuja možnost izvajanja iste kode na več kvantnih računalnikih prek storitve v oblaku, ki jo imamo. Lahko napišete en sam kos kode – morda je to majhen primerek Azurejevega algoritma, morda je to kvantni ekvivalent »zdravo, svet« – in ga zaženete na strojni opremi, ki so jo razvila podjetja, kot je npr. Quantinuum in IonQ. Obe sta platformi za ionske pasti, vendar sodelujemo tudi z njima Quantum Circuits Inc. (QCI), ki uporablja superprevodno platformo qubit, in imamo superprevodno platformo qubit na osnovi silicijevega polprevodnika iz Računalništvo Rigetti in platformo kvantnega procesorja nevtralnega atoma iz Pascal, ki bosta kmalu na spletu.

To je torej pet različnih platform kvantne strojne opreme, ki so na voljo prek Azure, in kar je res lepo, je prilagodljivost, ki jo imate s kodo. Svoj kvantni algoritem lahko zapišete v Q#, ki je jezik na visoki ravni za razvoj algoritmov. To bi bila moja izbira, vendar lahko pridete tudi s svojimi kodami. Na primer, če ste svojo težavo že zagnali na eni od IBM-ovih naprav in imate njihovo Qskit že napisana koda, potem lahko to kodo preprosto izvedete tudi v našem sistemu. Izberete lahko katero koli od petih platform strojne opreme in ta bo namesto vas prevedla kodo v kateri koli »zadnji del«, ki ga izberete.

To pomeni, da lahko zaženete isto aplikacijo na vseh teh zalednih napravah in vidite, kako se obnaša. Ker imajo te naprave seveda različne arhitekture, različne povezljivosti in celo različne hitrosti in zvestobe delovanja. Z Azure se lahko naučite vse o teh razlikah in podobnostih.

Ali nameravate uvesti dodatne platforme strojne opreme?

Da, resnično verjamemo v demokratizacijo kvantnega računalništva s privabljanjem skupnosti k rasti ekosistema. Velik del naše kode in orodij za platformo je odprtokodnih in poleg številnih ponudnikov strojne opreme imamo na voljo celo vrsto simulatorjev, ki jih ponujajo naši partnerji. To so programi, ki vam pomagajo ugotoviti, kako se bo vaša koda izvajala na dani platformi strojne opreme, preden jo izvedete. Imamo tudi tako imenovane ocenjevalce virov, ki jih lahko uporabite, če želite vedeti, koliko vas bo stalo izvajanje algoritma, ko se stroji povečajo, ali kako velik stroj boste potrebovali. 

Nadaljnji vznemirljivi razvoj je nekaj, kar imenujemo Kvantna vmesna predstavitev (QIR), ki vam omogoča, da vzamete kateri koli jezik na visoki ravni (izberite svojega najljubšega), ga preslikate v QIR in pošljete poljubnemu številu zalednih ponudnikov. To vidimo kot pomembno plast v globalnem nizu programske opreme, saj je nekaj, kar olajša prevajanje ali preslikavo na različno strojno opremo.

QIR si lahko predstavljate kot univerzalni jezik srednje plasti, ki omogoča komunikacijo med jeziki na visoki ravni in stroji. Veliko organizacij ga je že sprejelo. Razvit je bil kot del zavezništva prek Fundacija za skupni razvoj Linux Foundation. Pravzaprav so QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia in Nacionalni laboratorij Oak Ridge vsi so napovedali, da bodo gradili svoje prevajalnike prek QIR.

In vse to je del tega, kar se imenuje LLVM, ki je zelo priljubljeno ogrodje klasičnega prevajalnika, zato vam omogoča, da izkoristite orodja za prevajanje in optimizacijo iz klasične računalniške industrije. To resnično zniža stroške pisanja prevodov. V nasprotnem primeru bi morali napisati novo kodo za vsak jezik v vsako zaledje, kar bi bilo zelo drago.

Kvantni trg je trenutno na zanimivi stopnji. Zdi se, kot da se vsak teden začenjajo nova kvantna podjetja, vendar se ta velika faza razcveta odvija, preden se je tehnologija zares uveljavila. Vas skrbi, da bo prišlo do propada?

Verjamem, da potrebujemo veliko, veliko umov za mizo, da bi napredovali to tehnologijo in pospešili naš napredek. Tradicionalno bi se pri tej vrsti tehnologije napredek meril v desetletjih. Samo pomislite na čas, ki je bil potreben za prehod od izuma tranzistorja do mobilnih telefonov in iPhonov. Tega ne želimo s kvantnim računalništvom. Želimo ga pospešiti. 

Verjamem, da potrebujemo veliko, veliko umov za mizo, da bi napredovali to tehnologijo in pospešili naš napredek

Dobra novica je, da imamo ogromne prednosti – že imamo programsko opremo in klasične računalnike. Naši predhodniki niso imeli zmožnosti modeliranja, kaj počnejo, ko so prešli z vakuumskih cevi na tranzistorje na integrirana vezja. Niso imeli klasičnih računalnikov, ki bi jim pomagali, mi pa jih imamo na dosegu roke. Ko vidim, da ekosistem raste – več podjetij, več novoustanovljenih podjetij, več univerzitetnih diplomskih programov – se mi zdi točno to, kar potrebujemo.

Namesto da bi bil osredotočen na to, ali bo prišlo do propada ali »kvantne zime«, se osredotočam na vključevanje teh miselnih voditeljev, privabljanje teh inovatorjev k mizi in demokratizacijo kvantne dejavnosti, da lahko hitro dobimo rešitve. Če bomo kazali napredek, kvantne zime ne bo in verjamem, da lahko ta napredek dosežemo na vseh področjih, od naprav in strojev do programske opreme in aplikacij.

Ali imate v mislih datum za "Q-day" – to je dan, ko bo prvi praktični računalnik prišel na splet?

Kvantni računalniki so že na spletu. So v Azure in lahko dostopate do njih. Toda hitrost, s katero se povečujemo in dosegamo kvantno prednost, je odvisna od tega, ali se vsi vključijo in vskočijo. Pri Microsoftu delamo čim hitreje, da povečamo stroj in platformo, vendar smo odvisni tudi od ljudi razvoj algoritmov, ki zahtevajo manj kubitov – morda s skokom in uporabo QIR za ustvarjanje boljšega prevajalnega sklada. Pri napredku gre za ustvarjanje razlike na obeh koncih, izboljšanje stroja in znižanje stroškov algoritmov. To je tisto, kar bo spremenilo časovnico in pospešilo dan, ko bomo videli praktično kvantno prednost.