Kuantum ekosistemini demokratikleştirmek: Ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarına giden yolda Microsoft'tan Krysta Svore

Dünyanın her yerinde küçük ve büyük firmalar kuantum fiziğine dayalı bilgi işlem teknolojilerini geliştirmek ve piyasaya sürmek için yarışıyor. Temel prensipler birkaç on yıldır mevcut olsa da araştırmacılar, endüstri ve hükümetlerin tümü, ABD teknoloji firması Microsoft'un da önemli bir oyuncu olduğu, pratik kuantum bilgisayarları oluşturmak ve ölçeklerini büyütmek için çalışıyor. 

Bu yılın başlarında, seçkin mühendis ve başkan Microsoft'un Quantum ekibi Krysta Svore, şu tarihte bir açılış konuşması yaptı: Ekonomist dergisinin Quantum'u Ticarileştirmesi Londra'daki olay. Daha sonra yakalandı Fizik dünyası firmanın topolojik kübitlerden ölçeklenebilir bir kuantum sistemine doğru yolunu tartışmak Microsoft'un Azure'u kuantum bulut bilişim platformu ve hibrit ortaklıklar, bir bütün olarak kuantum pazarına sunuluyor. 

Microsoft şu anda kuantum dünyasında ne yapıyor?

Düşündüğümüz sorulardan biri kuantum avantajına giden yolculuğun nasıl hızlandırılacağıdır. Kuantum avantajıyla kastettiğim şey, her şeyden önce anlamlı olan ve toplumumuzu ileriye taşımaya yardımcı olacak sorunları çözebilmek istiyoruz. Bir kızım var ve onun geleceğini değiştirmek istiyorum; sürdürülebilirlik, iklim değişikliği, enerji ve gezegenimizdeki kaynakları kullanmanın daha iyi yollarını bulmayla ilgili bu Herkül gibi zorlukları ona bırakmak istemiyorum. 

Kuantum hesaplamayla bu sorunlardan bazılarını çözmeye başlayabileceğimize dair umut var, ancak bunu bağımsız bir makine olarak kuantum bilgisayarla yapamayacağız. Örneğin nitrojen fiksasyonunu nasıl iyileştireceğinizi veya karbondioksiti yakalayıp metanole nasıl dönüştüreceğinizi bulmak için kuantum hesaplamayı klasik bir süper bilgisayara entegre eden hibrit bir çözüme gerçekten ihtiyacınız var. İşte biz bunun üzerine inşa ediyoruz Microsoft, bulut bilgi işlem Azure sistemimizle. Bu tür sorunlara çözüm getirecek, hibrit, heterojen, yapay zeka destekli, kuantum destekli bir süper bilgisayar üretmeyi hedefliyoruz. 

Ayrıca yazılım platformumuzu da düşünüyoruz. Yıllardır kuantum algoritmaları üzerinde çalışıyoruz, dolayısıyla bunları nasıl optimize edip derleyeceğimize dair öğrendiklerimizi aldık ve bu bilgiyi platformumuza taşıdık. Şu anda Azure ile çeşitli iş ortaklarımız tarafından sağlanan çeşitli gerçek donanımlar üzerinde küçük sorunları deneyebilirsiniz. Ancak aynı zamanda uygulamalar yazabilir, kodunuzu geliştirebilir, ne kadar büyük bir kuantum bilgisayara ihtiyacınız olacağına karar verebilir ve klasik bir bilgisayarla birlikte nasıl çalışacağını da hesaplayabilirsiniz. Bu entegrasyonu şimdi gerçekleştirebilir ve kodda hata ayıklamaya başlayabilirsiniz, çünkü makineler ölçeklenip bulutla tamamen entegre hale geldikçe bu kod geçerli kalacaktır.

Kuantum bilgisayarla anlamlı bir şeyler yapabileceğimiz bir ölçeğe nasıl ulaşacağımıza dair vizyonunuz nedir?

Microsoft başından beri ölçeklendirmeyi düşünüyordu. Kuantum algoritmaları üzerinde çalıştık; fizik okuduk; yazılımdan donanıma kadar tüm sistem mimarisi üzerinde çalıştık. Ölçek hakkında öğrendiğimiz şey ise kubitlerimizden ve kuantum makinemizden farklı bir şey istememiz gerektiğidir. 

Onlarca yıl süren araştırmalar sonucunda başarılı bir makinenin üç temel özelliğe ihtiyacı olduğunu tespit ettik. Öncelikle doğru boyutta olması gerekiyor. Kübitin bir levhaya bir milyon sığdırabilecek kadar küçük olması gerekiyor, böylece makine bir gökdelen boyutunda olmayacak. Daha sonra doğru hızın olması gerekiyor. Milyarlarca işlemi çalıştırdığınızda bunların tamamının birkaç hafta içinde tamamlanabileceği kadar makinenin yeterince hızlı olması gerekir; böylece klasik ve modern işlemleri birleştiren uçtan uca tam çözüm için bir aydan fazla beklemeyiz. kuantum elementleri. Son olarak, ölçeği büyüttüğümüzde yeterince güvenilir olan bir kübite ihtiyacımız var; Hataları düzeltmek için doğal, içsel kubit özelliklerinden yararlandığımız için çok fazla kaynak tüketmeyecek bir şey. Milyarlarca operasyonu yürütmemize olanak sağlayacak olan şey budur. 

Microsoft olarak tüm bu açılardan doğru olduğunu düşündüğümüz bir kübit belirledik ve tasarladık: topolojik kübit. Ve son birkaç ay içinde, bu kübiti yaratma yolunda kaydettiğimiz gerçekten heyecan verici bazı ilerlemeleri paylaştık. Aslında, yaklaşık bir yüzyıldır hipotez olarak öne sürülen bu yakalanması zor fiziği gösteren cihazlar tasarladık. Nano ölçekli tellerin sonunda Majorana sıfır modları ortaya çıkıyor. Bu, topolojik bir kübiti göstermek için ihtiyaç duyduğumuz fizik türünün bir imzasıdır, dolayısıyla hem bilim açısından hem de "Tamam, bir milyon kübite ulaşacağız" dememiz gereken temeli oluşturmak için çok önemli bir kilometre taşıdır. 

Bana bu topolojik kübit hakkında daha fazla bilgi ver. Sağlamlık söz konusu olduğunda nasıldır? Kriyojenik sıcaklıklarda olması gerekiyor mu?

Evet, kriyojenik sıcaklıklarda çalışır, dolayısıyla bu bakımdan süperiletken kübitler gibi sektördeki diğer bazı kübitlere çok benzer. Seyreltme buzdolabındadır ve 100 mK kabaca sıcaklık aralığıdır. Sağlamlık açısından bu, bir sonraki gösterimimizde üzerinde çalışacağımız bir konu. Şu ana kadar gösterdiğimiz temel temel fizik ve Majorana sıfır modlarının özellikleridir, ancak şimdi bundan bir kübit yaratmamız gerekiyor.. Bununla işlem yapabileceğiniz bir şeyi kastediyorum; kontrol edebileceğiniz ve okuyabileceğiniz bir şey. Bunu yaptığımızda, onu ölçebileceğiz ve şöyle diyebileceğiz: “Tamam, işte onun ömrü. İşte ne kadar tutarlı olduğu.” 

Ancak topolojik kübitin harika yanı ve ona bu kadar yatırım yapmamızın nedeni, ölçeklenmesine yardımcı olacağına inandığımız doğal hata korumasına sahip olmasıdır. Bu özellik, kübitin kodladığı bilginin, bir anlamda, iki nanotelin her iki ucunda birer tane olmak üzere dört Majorana sıfır moduna bölünmüş olmasından kaynaklanıyor. Doğa, Majorana sıfır modlarından yalnızca birini bile bozmaya çalışırsa, aslında kuantum durumuna zarar vermez. Buna karşılık, süper iletken bir kübitte kuantum durumu tek bir noktada tutulur, yani o noktada gürültü alırsanız durum eşevresizleşir. Bunun aksine, topolojik kübitimizde yerleşik bir düzeyde hata düzeltme veya hata toleransımız var.

Hangi noktada, örneğin Microsoft'un topolojik kübitleri üzerinde bir sorun çalıştırabilecek ve daha sonra farklı türde bir kübit kullanarak deneyi tekrarlayabilecek ve aynı çıktıyı aldığımızdan emin olabileceksiniz? 

Bu konuda nereye varmak istediğinizi seviyorum ve bunu bugün yapabileceğimizi söylemekten mutluluk duyuyorum. Aslında Azure Quantum'un güzelliğinin bir parçası da bu; sahip olduğumuz bulut hizmeti aracılığıyla insanlara aynı kodu birden fazla kuantum bilgisayarda çalıştırma şansı sunuyor. Tek bir kod parçası yazabilirsiniz (belki bu Azure algoritmasının küçük bir örneğidir, belki de "merhaba dünya"nın kuantum eşdeğeridir) ve bunu aşağıdaki gibi şirketlerin geliştirdiği donanım üzerinde çalıştırabilirsiniz: kuantum ve iyonQ. Bunların ikisi de iyon tuzağı platformları, ancak aynı zamanda Kuantum Devreleri A.Ş. (QCI)süper iletken bir kübit platformu kullanan ve silikon yarı iletken tabanlı bir süper iletken kübit platformumuz var. Rigetti Bilişim ve nötr atomlu kuantum işlemci platformu Paskalher ikisi de yakında çevrimiçi olacak.

Yani Azure aracılığıyla kullanılabilen beş farklı kuantum donanım platformu var ve gerçekten güzel olan şey, kodla ilgili sahip olduğunuz esneklik. Kuantum algoritmanızı şu şekilde yazabilirsiniz: Algoritma geliştirme için üst düzey bir dil olan Q#. Bu benim seçimim ama siz kendi kodlarınızla da gelebilirsiniz. Örneğin sorununuzu daha önce IBM'in aygıtlarından birinde çalıştırdıysanız ve onların kiskit kod zaten yazıldıysa, o kodu sistemimizde de çalıştırabilirsiniz. Beş donanım platformundan herhangi birini seçebilirsiniz; seçtiğiniz "arka uç" için kod sizin için derlenecektir.

Bu, aynı uygulamayı tüm bu arka uç cihazlarda çalıştırabileceğiniz ve nasıl davrandığını görebileceğiniz anlamına gelir. Çünkü elbette bu cihazların farklı mimarileri, farklı bağlantıları ve hatta farklı çalışma hızları ve doğrulukları var. Azure aracılığıyla bu farklılıklar ve benzerlikler hakkında her şeyi öğrenebilirsiniz.

Ek donanım platformları getirmeyi planlıyor musunuz?

Evet, ekosistemi büyütmek için topluluğu bir araya getirerek kuantum hesaplamayı demokratikleştirmeye gerçekten inanıyoruz. Kod ve platform araçlarımızın çoğu açık kaynaktır ve birden fazla donanım sağlayıcımızın yanı sıra, ortaklarımızdan gelen çok çeşitli simülatörlerimiz mevcuttur. Bunlar, kodunuzu çalıştırmadan önce belirli bir donanım platformunda nasıl çalışacağını hesaplamanıza yardımcı olan programlardır. Ayrıca, makineler büyüdüğünde bir algoritmayı çalıştırmanın size ne kadara mal olacağını veya ne kadar büyük bir makineye ihtiyacınız olacağını bilmek istiyorsanız kullanabileceğiniz, kaynak tahmincileri adı verilen araçlara da sahibiz. 

Bir başka heyecan verici gelişme ise buna " Kuantum Ara Temsil (QIR), herhangi bir üst düzey dili almanıza (favorilerinizi seçmenize), onu QIR ile eşleştirmenize ve istediğiniz sayıda arka uç sağlayıcıya göndermenize olanak tanır. Bunu, farklı donanımlara çeviri veya eşleme kolaylığını kolaylaştıran bir şey olduğundan, küresel yazılım yığınında önemli bir katman olarak görüyoruz.

QIR'ı, üst düzey diller ve makineler arasında iletişimi sağlayan evrensel bir orta katman dili olarak düşünebilirsiniz. Birçok kuruluş bunu zaten benimsemiştir. aracılığıyla bir ittifakın parçası olarak geliştirilmiştir. Linux Vakfı'nın Ortak Geliştirme Vakfı. Aslında QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı hepsi derleyicilerini QIR aracılığıyla oluşturacaklarını duyurdular.

Ve bunların hepsi denilen şeyin bir parçası LLVMÇok popüler bir klasik derleyici çerçevesi olan , klasik bilgisayar endüstrisindeki derleme ve optimizasyon araçlarından yararlanmanıza olanak tanır. Bu gerçekten çeviri yazma maliyetini azaltır. Aksi takdirde, her arka uca her dil için yeni kod yazmak zorunda kalırsınız ve bu da çok pahalı olur.

Kuantum pazarı şu anda ilginç bir aşamada. Görünüşe göre her hafta yeni kuantum şirketleri kuruluyor, ancak bu devasa patlama aşaması, teknoloji kendini tam anlamıyla kurmadan önce gerçekleşiyor. Bir baskın olacağından mı endişeleniyorsunuz?

Bu teknolojiyi ilerletmek ve ilerlememizi hızlandırmak için masada çok sayıda zihne ihtiyacımız olduğuna inanıyorum. Geleneksel olarak bu tür teknolojilerde ilerlemeler onyıllarla ölçülür. Transistörün icadından cep telefonlarının ve iPhone'ların ortaya çıkmasına kadar geçen süreyi bir düşünün. Kuantum bilişimde bunu istemiyoruz. Bunu hızlandırmak istiyoruz. 

Bu teknolojiyi ilerletmek ve ilerlememizi hızlandırmak için masada çok sayıda zihne ihtiyacımız olduğuna inanıyorum.

İyi haber şu ki çok büyük avantajlarımız var; zaten yazılımımız ve klasik bilgisayarlarımız var. Seleflerimiz, vakum tüplerinden transistörlere ve entegre devrelere geçerken yaptıklarını modelleme becerisine sahip değildi. Onlara yardımcı olacak klasik bilgisayarları yoktu ama bizim parmaklarımızın ucunda. Ekosistemin büyüdüğünü gördüğümde (daha fazla şirket, daha fazla start-up, daha fazla üniversite diploma programı) onu tam olarak ihtiyacımız olan şey olarak görüyorum.

Dolayısıyla, bir çöküş mü yoksa bir "kuantum kışı" mı olacağına odaklanmak yerine, bu düşünce liderlerini harekete geçirmeye, bu yenilikçileri masaya getirmeye ve hızlı bir şekilde çözüm üretebilmemiz için kuantumu demokratikleştirmeye odaklanıyorum. İlerleme gösteriyorsak kuantum kışı olmayacak ve bu ilerlemeyi cihazlardan makinelere, yazılımlardan uygulamalara kadar tüm alanlarda gerçekleştirebileceğimize inanıyorum.

“Q-day” için, yani ilk pratik bilgisayarın çevrimiçi olacağı gün için aklınızda bir tarih var mı?

Kuantum bilgisayarlar zaten çevrimiçi. Bunlar Azure'dadır ve onlara erişebilirsiniz. Ancak ölçeği büyütme ve kuantum avantajına ulaşma oranımız herkesin katılım göstermesine ve devreye girmesine bağlıdır. Microsoft'ta, makineyi büyütmek ve platformu ölçeklendirmek için elimizden geldiğince hızlı çalışıyoruz, ancak aynı zamanda insanlara da bağımlıyız Daha az kübit gerektiren algoritmalar geliştirmek; belki de daha iyi bir derleme yığını oluşturmak için devreye girip QIR'yi kullanarak. İlerleme, her iki uçta da fark yaratmak, makineyi geliştirmek ve algoritmaların maliyetini düşürmekle ilgilidir. Zaman çizelgesini değiştirecek ve pratik kuantum avantajını göreceğimiz günü hızlandıracak olan şey budur.