Krysta Svore, vicepresident för Microsoft Quantum, pratar med Tushna Commissariat om företagets resa till kvantfördelar
Över hela världen tävlar både små och stora företag om att utveckla och lansera datorteknik baserad på kvantfysik. Medan de grundläggande principerna har funnits i några decennier, arbetar forskare, industri och regeringar alla för att bygga och skala upp praktiska kvantdatorer, med det amerikanska teknikföretaget Microsoft som en nyckelspelare.
Tidigare i år framstående ingenjör och chef för Microsofts Quantum-team, Krysta Svore, höll en keynote kl The Economist tidningens Commercializing Quantum evenemang i London. Hon kom senare ikapp Fysikvärlden att diskutera företagets väg mot ett skalbart kvantsystem – från topologiska kvantbitar till Microsofts Azure kvantmolnbaserad plattform och hybridpartnerskap, till kvantmarknaden som helhet.
Vad gör Microsoft i kvantvärlden just nu?
En av frågorna vi överväger är hur man kan påskynda resan till kvantfördelar. Vad jag menar med kvantfördelar är för det första att vi vill kunna lösa problem som är meningsfulla och som kommer att hjälpa vårt samhälle framåt. Jag har en dotter, och jag vill förändra framtiden för henne – jag vill inte lämna henne dessa herkuliska utmaningar relaterade till hållbarhet, klimatförändringar, energi och att hitta bättre sätt att använda resurserna på vår planet.
Med kvantberäkning finns det hopp om att vi kan börja ta itu med några av dessa problem, men vi kommer inte att kunna göra det med en kvantdator som en fristående maskin. För att ta reda på hur man kan förbättra kvävefixeringen, eller fånga upp koldioxid och omvandla den till metanol, till exempel, behöver man verkligen en hybridlösning, en som integrerar kvantberäkning i en klassisk superdator. Så det är vad vi bygger på Microsoft med vårt molnbaserade Azure-system. Vi siktar på att producera en hybrid, heterogen, AI-driven, kvantdriven superdator som kommer att ta fram lösningar för dessa typer av problem.
Vi tänker också på vår mjukvaruplattform. Vi har studerat kvantalgoritmer i flera år, så vi har tagit vad vi har lärt oss om hur man optimerar och kompilerar dem, och fört den kunskapen till vår plattform. Just nu, med Azure, kan du prova små problem på en mångsidig uppsättning riktig hårdvara som tillhandahålls av våra olika partners. Men du kan också skriva applikationer, utveckla din kod, bestämma hur stor kvantdator du behöver och räkna ut hur den ska fungera tillsammans med en klassisk. Du kan utföra den integrationen och börja felsöka koden nu, eftersom den koden förblir giltig när maskinerna skalas upp och blir helt integrerade med molnet.
Vilken är din vision för hur vi kommer till en skala där vi kan göra något meningsfullt med en kvantdator?
Microsoft har tänkt på skala från början. Vi har studerat kvantalgoritmer; vi har studerat fysiken; vi har arbetat med hela systemarkitekturen från mjukvara till hårdvara. Och vad vi har lärt oss om skala är att vi måste fråga något annat om våra qubits och vår kvantmaskin.
Under årtionden av forskning har vi identifierat att en framgångsrik maskin behöver tre nyckelegenskaper. Först måste den ha rätt storlek. Qubiten måste vara tillräckligt liten för att du ska få plats med en miljon på en wafer, så att maskinen inte kommer att bli lika stor som en skyskrapa. Därefter måste det vara rätt hastighet. Maskinen måste vara tillräckligt snabb för att när du kör miljarder operationer kan alla vara färdiga på några veckor, så att vi inte väntar mer än en månad på den fullständiga end-to-end-lösningen som kombinerar klassisk och kvantelement. Slutligen behöver vi en qubit som är tillräckligt tillförlitlig när vi skalar upp; en som inte kommer att förbruka så mycket resurser eftersom vi drar fördel av naturliga, inneboende qubit-egenskaper för att korrigera fel. Det är det som gör att vi kan driva miljarder operationer.
På Microsoft har vi identifierat och designat en qubit som vi tycker är helt rätt på alla dessa punkter: den topologiska qubiten. Och under de senaste månaderna har vi delat några riktigt spännande framsteg vi har gjort för att skapa denna qubit. I grund och botten har vi konstruerat enheter som visar denna mycket svårfångade fysik som man har antagit hypoteser om i ett sekel, varvid s.k. Majorana nolllägen dyker upp i slutet av nanoskaliga ledningar. Det här är en signatur för den typ av fysik vi behöver för att demonstrera en topologisk qubit, så det är en mycket viktig milstolpe både för vetenskapen och för att bygga grunden vi behöver säga, "Okej, vi kommer att nå en miljon qubits."
Berätta mer om denna topologiska qubit. Hur är det när det kommer till robusthet? Behöver det vara vid kryogena temperaturer?
Ja, den fungerar vid kryogena temperaturer, så i det avseendet är den väldigt lik vissa andra qubits i branschen, som supraledande qubits. Det är i ett utspädningskylskåp, och 100 mK är ungefär temperaturintervallet. När det gäller robusthet är detta något vi kommer att arbeta med inför vår nästa demonstration. Vad vi har visat hittills är den underliggande fundamentala fysiken och egenskaperna hos Majorana nolllägen, men nu måste vi skapa en qubit av det. Med det menar jag något man kan utföra operationer med; något du kan kontrollera och läsa upp. När vi väl har gjort det kommer vi att kunna mäta det och säga: "Okej, här är dess livstid. Här är hur sammanhängande det är.”
Men det som är underbart med den topologiska qubiten – och anledningen till att vi är så investerade i den – är att den har detta naturliga felskydd som vi tror kommer att hjälpa den att skala. Den här egenskapen härrör från det faktum att informationen som qubiten kodar, på sätt och vis, är uppdelad i fyra Majorana-nolllägen, en i varje ände av två nanotrådar. Om naturen försöker störa bara ett av dessa Majorana-nolllägen kommer det faktiskt inte att skada kvanttillståndet. Däremot, med en supraledande qubit, hålls kvanttillståndet vid en enda punkt, så om du får brus vid den punkten dekohereras tillståndet. Till skillnad från det har vi en grad av felkorrigering eller feltolerans som är inbyggd i vår topologiska qubit.
Vid vilken tidpunkt kommer du att kunna köra ett problem på, säg, Microsofts topologiska qubits och sedan upprepa experimentet med en annan typ av qubit, och se till att vi får samma utdata?
Jag älskar vart du är på väg med det här, och jag är glad att kunna berätta att vi kan göra det idag. Det är faktiskt en del av skönheten med Azure Quantum – det ger människor chansen att köra samma kod på flera kvantdatorer, genom molntjänsten vi har. Du kan skriva en enda kodbit – kanske är det en liten instans av Azures algoritm, kanske är det kvantmotsvarigheten till ”hej världen” – och köra den på hårdvara utvecklad av företag som t.ex. Kvantinuum och IonQ. De är båda jonfällningsplattformar, men vi samarbetar också med Quantum Circuits Inc. (QCI), som använder en supraledande qubit-plattform, och vi har en kisel-halvledarbaserad supraledande qubit-plattform från Rigetti Computing och en neutral-atom quantum-processor plattform från pascal, som båda kommer online snart.
Så det är fem olika kvanthårdvaruplattformar tillgängliga via Azure, och det som är riktigt snyggt är flexibiliteten du har med koden. Du kan skriva din kvantalgoritm i Q#, som är ett högnivåspråk för algoritmutveckling. Det skulle vara mitt val, men du kan också komma in med dina egna koder. Till exempel, om du tidigare har kört ditt problem på en av IBMs enheter och du har deras Qiskit koden som redan är skriven, så kan du helt enkelt köra den koden också på vårt system. Du kan välja vilken som helst av de fem hårdvaruplattformarna och den kompilerar koden åt dig till vilken "backend" du än väljer.
Det betyder att du kan köra samma applikation på alla dessa back-end-enheter och se hur den beter sig. För naturligtvis har dessa enheter olika arkitekturer, olika anslutningsmöjligheter och till och med olika driftshastigheter och exakthet. Genom Azure kan du lära dig allt om dessa skillnader och likheter.
Planerar du att ta in ytterligare hårdvaruplattformar?
Ja, vi tror verkligen på att demokratisera kvantdatorn genom att ta in samhället för att växa ekosystemet. Mycket av våra kod- och plattformsverktyg är öppen källkod, och förutom flera hårdvaruleverantörer har vi en mängd olika simulatorer från våra partners. Det här är program som hjälper dig att räkna ut hur din kod kommer att köras på en given hårdvaruplattform, innan du kör den. Vi har också så kallade resursuppskattare, som du kan använda om du vill veta hur mycket en algoritm kommer att kosta dig att köra när maskinerna skalar upp, eller hur stor en maskin du behöver.
Ytterligare en spännande utveckling är något vi kallar Quantum Intermediate Representation (QIR), som låter dig ta vilket språk på hög nivå som helst (välj din favorit), mappa det till QIR och skicka det till valfritt antal back-end-leverantörer. Vi ser detta som ett viktigt lager i den globala mjukvarustacken, eftersom det är något som underlättar översättning eller kartläggning till olika hårdvara.
Du kan tänka på QIR som ett universellt mellanlagerspråk som möjliggör kommunikation mellan högnivåspråk och maskiner. Många organisationer har redan antagit det. Det har utvecklats som en del av en allians genom Linux Foundations Joint Development Foundation. Faktum är att QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia och Oak Ridge National Laboratory har alla meddelat att de kommer att bygga sina kompilatorer genom QIR.
Och allt är en del av det som kallas LLVM, som är ett mycket populärt ramverk för klassisk kompilator, så det låter dig utnyttja kompilerings- och optimeringsverktyg från den klassiska datorindustrin. Det minskar verkligen kostnaderna för att skriva översättningar. Annars skulle du behöva skriva ny kod för varje språk till varje backend, vilket skulle bli väldigt dyrt.
Kvantmarknaden befinner sig i ett intressant skede just nu. Det verkar som att det varje vecka lanseras nya kvantföretag, men denna massiva boomfas äger rum innan tekniken verkligen har etablerat sig. Är du orolig för att det ska bli en byst?
Jag tror att vi behöver många, många hjärnor vid bordet för att främja denna teknik och för att påskynda våra framsteg. Traditionellt sett, med denna typ av teknik, skulle framstegen mätas på decennier. Tänk bara på tiden det tog att gå från uppfinningen av transistorn till att ha mobiltelefoner och iPhones. Vi vill inte ha det med kvantberäkning. Vi vill påskynda det.
Jag tror att vi behöver många, många hjärnor vid bordet för att främja denna teknik och för att påskynda våra framsteg
Den goda nyheten är att vi har enorma fördelar – vi har redan mjukvara och klassiska datorer. Våra föregångare hade inte förmågan att modellera vad de gjorde när de gick från vakuumrör till transistorer till integrerade kretsar. De hade inga klassiska datorer för att hjälpa dem, medan vi har dem till hands. När jag ser ekosystemet växa – fler företag, fler nystartade företag, fler högskoleutbildningar – ser jag det som precis vad vi behöver.
Så istället för att vara fokuserad på om det kommer att bli en byst eller en "kvantvinter", fokuserar jag på att engagera dessa tankeledare, ta med dessa innovatörer till bordet och demokratisera kvantum så att vi snabbt kan få fram lösningar. Om vi visar framsteg kommer det inte att bli någon kvantvinter, och jag tror att vi kan göra de framsteg på alla områden, från enheter och maskiner till mjukvara och appar.
Har du ett datum i åtanke för ”Q-day” – det vill säga dagen då den första praktiska datorn kommer online?
Kvantdatorer är redan online. De finns i Azure och du kan komma åt dem. Men hastigheten med vilken vi skalar upp och når kvantfördelar beror på att alla engagerar sig och hoppar in. På Microsoft kör vi så fort vi kan för att skala upp maskinen och skala plattformen, men vi är också beroende av människor utveckla algoritmer som kräver färre qubits – kanske genom att hoppa in och använda QIR för att skapa en bättre kompileringsstack. Framsteg handlar om att göra skillnad från båda sidor, förbättra maskinen samt få ner kostnaden för algoritmer. Det är det som kommer att förändra tidslinjen och påskynda dagen då vi kommer att se praktiska kvantfördelar.
