Криста Своре, віце-президент Microsoft Quantum, розмовляє з Tushna Commissariat про шлях компанії до квантової переваги
По всьому світу як малі, так і великі компанії змагаються за розробку та запуск обчислювальних технологій, заснованих на квантовій фізиці. Хоча базові принципи існують уже кілька десятиліть, дослідники, промисловість і уряди працюють над створенням і розширенням практичних квантових комп’ютерів, причому американська технічна компанія Microsoft є ключовим гравцем.
На початку цього року видатний інженер і зав Команда Microsoft Quantum, Кріста Своре, виступив із доповіддю на The Economist журналу Commercializing Quantum подія в Лондоні. Пізніше вона наздогнала Світ фізики обговорити шлях фірми до масштабованої квантової системи – від топологічних кубітів до Azure від Microsoft платформи квантових хмарних обчислень і гібридних партнерств для квантового ринку в цілому.
Що зараз робить Microsoft у квантовому світі?
Одне з питань, яке ми розглядаємо, полягає в тому, як прискорити шлях до квантової переваги. Що я маю на увазі під квантовою перевагою, це, перш за все, те, що ми хочемо мати можливість вирішувати проблеми, які є значущими та допомагатимуть рухати наше суспільство вперед. У мене є дочка, і я хочу змінити для неї майбутнє – я не хочу залишати її ці геркулесові виклики, пов’язані зі стійкістю, зміною клімату, енергією та пошуком кращих способів використання ресурсів нашої планети.
З квантовими обчисленнями є надія, що ми зможемо почати вирішувати деякі з цих проблем, але ми не зможемо зробити це за допомогою квантового комп’ютера як окремої машини. Наприклад, щоб розробити, як покращити фіксацію азоту або вловити вуглекислий газ і перетворити його на метанол, вам дійсно потрібне гібридне рішення, яке інтегрує квантові обчислення в класичний суперкомп’ютер. Отже, це те, на чому ми будуємо Microsoft із нашою системою хмарних обчислень Azure. Ми прагнемо створити гібридний, гетерогенний, квантовий суперкомп’ютер на базі ШІ, який запропонує рішення для таких проблем.
Ми також думаємо про нашу програмну платформу. Ми вивчаємо квантові алгоритми роками, тому ми взяли те, що дізналися про те, як їх оптимізувати та компілювати, і перенесли ці знання на нашу платформу. Прямо зараз за допомогою Azure ви можете випробувати невеликі проблеми на різноманітному наборі справжнього обладнання, яке постачається нашими різноманітними партнерами. Але ви також можете писати програми, розробляти свій код, вирішувати, наскільки великий квантовий комп’ютер вам потрібен, і розробляти, як він працюватиме разом із класичним. Ви можете виконати таку інтеграцію та розпочати налагодження коду зараз, оскільки цей код залишатиметься дійсним, коли машини розширюватимуться та стануть повністю інтегрованими з хмарою.
Яке ваше бачення того, як ми досягнемо такого масштабу, коли ми зможемо зробити щось значуще за допомогою квантового комп’ютера?
Microsoft думала про масштаб із самого початку. Ми вивчали квантові алгоритми; ми вивчали фізику; ми працювали над усією системною архітектурою від програмного забезпечення до апаратного забезпечення. І те, що ми дізналися про масштаб, полягає в тому, що нам потрібно вимагати чогось іншого від наших кубітів і нашої квантової машини.
Протягом десятиліть досліджень ми визначили, що успішна машина потребує трьох ключових характеристик. По-перше, він повинен бути відповідного розміру. Кубіт має бути достатньо малим, щоб ви могли помістити мільйон на пластину, щоб машина не стала розміром з хмарочос. Далі, це має бути правильна швидкість. Машина має бути достатньо швидкою, щоб коли ви виконуєте мільярди операцій, усі вони могли бути завершені за лічені тижні, щоб ми не чекали більше місяця на повне наскрізне рішення, яке поєднує класичні та квантові елементи. Нарешті, нам потрібен кубіт, який буде достатньо надійним, коли ми розширюємо масштаб; той, який не споживатиме стільки ресурсів, оскільки ми використовуємо переваги природних властивостей кубіта для виправлення помилок. Це те, що дозволить нам проводити мільярди операцій.
У Microsoft ми визначили та розробили кубіт, який, на нашу думку, підходить у всіх цих аспектах: топологічний кубіт. І протягом останніх кількох місяців ми поділилися справді захоплюючим прогресом у створенні цього кубіту. По суті, ми розробили пристрої, які демонструють цю дуже невловиму фізику, гіпотезу про яку висловлювали протягом століття, за допомогою якої т.зв. Нульові моди Майорани виникають на кінці нанорозмірних проводів. Це ознака того типу фізики, який нам потрібен, щоб продемонструвати топологічний кубіт, тому це дуже важлива віха як для науки, так і для побудови фундаменту, який нам потрібно сказати: «Добре, ми досягнемо мільйона кубітів».
Розкажіть мені більше про цей топологічний кубіт. Що це таке, коли справа доходить до міцності? Чи має він бути при кріогенних температурах?
Так, він працює при кріогенних температурах, тому в цьому відношенні він дуже схожий на деякі інші кубіти в галузі, такі як надпровідні кубіти. Це в холодильнику для розведення, і 100 мК – це приблизно діапазон температур. З точки зору надійності, це те, над чим ми працюватимемо для наступної демонстрації. Те, що ми досі показали, — це базова фундаментальна фізика та властивості нульових мод Майорани, але тепер нам потрібно створити з цього кубіт. Під цим я маю на увазі щось, з чим можна виконувати операції; те, що ви можете контролювати та читати. Коли ми це зробимо, ми зможемо виміряти це і сказати: «Добре, ось його термін служби. Ось як це зв’язно».
Але що чудово в топологічному кубіті – і чому ми так інвестуємо в нього – це те, що він має цей природний захист від помилок, який, на нашу думку, допоможе йому масштабуватися. Ця властивість випливає з того факту, що інформація, яку кодує кубіт, у певному сенсі розділена на чотири нульові моди Майорани, по одній на кожному кінці двох нанодротів. Якщо природа спробує порушити лише один із цих нульових режимів Майорани, це фактично не зашкодить квантовому стану. Навпаки, з надпровідним кубітом квантовий стан утримується в одній точці, тому, якщо ви отримуєте шум у цій точці, стан декогерує. На відміну від цього, ми маємо певний ступінь виправлення помилок або відмовостійкість, яка вбудована в наш топологічний кубіт.
У який момент ви зможете запустити задачу, скажімо, на топологічних кубітах Microsoft, а потім повторити експеримент, використовуючи інший тип кубіта, і переконатися, що ми отримаємо той самий результат?
Мені подобається, куди ви прямуєте з цим, і я радий повідомити вам, що ми можемо це зробити сьогодні. Фактично, це частина краси Azure Quantum – вона пропонує людям можливість запускати той самий код на кількох квантових комп’ютерах через хмарну службу, яку ми маємо. Ви можете написати один фрагмент коду – можливо, це невеликий екземпляр алгоритму Azure, можливо, це квантовий еквівалент «привіт, світ» – і запустити його на обладнанні, розробленому такими компаніями, як Квантинуум та IonQ. Це обидві платформи іонних пасток, але ми також співпрацюємо з ними Quantum Circuits Inc. (QCI), який використовує платформу надпровідних кубітів, і ми маємо надпровідну платформу кубітів на основі кремнієвих напівпровідників від Обчислення Рігетті і платформа квантового процесора з нейтральним атомом Паскаль, обидва незабаром з’являться онлайн.
Отже, це п’ять різних квантово-апаратних платформ, доступних через Azure, і що справді чудово, так це гнучкість коду. Ви можете написати свій квантовий алгоритм Q#, яка є мовою високого рівня для розробки алгоритмів. Це мій вибір, але ви також можете прийти зі своїми кодами. Наприклад, якщо ви раніше запускали свою проблему на одному з пристроїв IBM і у вас є їхні Qskit код уже написаний, тоді ви можете просто виконати цей код у нашій системі. Ви можете вибрати будь-яку з п’яти апаратних платформ, і вона скомпілює код для будь-якої «серверної частини», яку ви виберете.
Це означає, що ви можете запускати ту саму програму на всіх цих внутрішніх пристроях і дивитися, як вона поводиться. Оскільки, звичайно, ці пристрої мають різну архітектуру, різні можливості підключення та навіть різні швидкості та точність роботи. Завдяки Azure ви можете дізнатися все про ці відмінності та подібності.
Чи плануєте ви запровадити додаткові апаратні платформи?
Так, ми дійсно віримо в демократизацію квантових обчислень, залучаючи спільноту до розвитку екосистеми. Значна частина нашого коду та інструментів платформи мають відкритий вихідний код, і, крім багатьох постачальників апаратного забезпечення, у нас є цілий ряд симуляторів від наших партнерів. Це програми, які допомагають визначити, як ваш код працюватиме на певній апаратній платформі, перш ніж ви його запустите. У нас також є так звані оцінювачі ресурсів, якими ви можете скористатися, якщо хочете знати, скільки коштуватиме вам запуск алгоритму після збільшення масштабу машин або наскільки велика машина вам знадобиться.
Подальший захоплюючий розвиток ми називаємо Квантове проміжне представлення (QIR), що дозволяє взяти будь-яку мову високого рівня (виберіть свою улюблену), зіставити її з QIR і надіслати будь-якій кількості серверних постачальників. Ми розглядаємо це як важливий рівень у глобальному стеку програмного забезпечення, оскільки це те, що полегшує переклад або відображення на різному обладнанні.
Ви можете думати про QIR як про універсальну мову середнього рівня, яка забезпечує спілкування між мовами високого рівня та машинами. Багато організацій вже прийняли його. Він був розроблений як частина альянсу через Фонд спільного розвитку Linux Foundation. Справді, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia та Національна лабораторія Oak Ridge усі оголосили, що збираються створювати свої компілятори через QIR.
І все це частина того, що називається LLVM, який є дуже популярним класичним фреймворком компілятора, тому він дозволяє вам використовувати інструменти компіляції та оптимізації з класичної індустрії обчислень. Це дійсно знижує витрати на написання перекладів. Інакше вам довелося б писати новий код для кожної мови на кожному сервері, що було б дуже дорого.
Зараз квантовий ринок знаходиться на цікавій стадії. Здається, кожного тижня з’являються нові квантові компанії, але цей масштабний бум відбувається ще до того, як технологія справді зарекомендувала себе. Ти хвилюєшся, що буде крах?
Я вважаю, що нам потрібно багато, багато розумів за столом, щоб просувати цю технологію та прискорювати наш прогрес. Традиційно з цим типом технології прогрес вимірювався десятиліттями. Тільки подумайте про час, який знадобився, щоб пройти шлях від винайдення транзистора до появи мобільних телефонів і iPhone. Ми не хочемо цього з квантовими обчисленнями. Ми хочемо це прискорити.
Я вважаю, що нам потрібно багато, багато розумів за столом, щоб просувати цю технологію та прискорювати наш прогрес
Хороша новина полягає в тому, що ми маємо величезні переваги – ми вже маємо програмне забезпечення та класичні комп’ютери. Наші попередники не мали можливості моделювати те, що вони робили, коли переходили від вакуумних ламп до транзисторів та інтегральних схем. У них не було класичних комп’ютерів, які б їм допомагали, а у нас вони під рукою. Коли я бачу, що екосистема зростає – більше компаній, більше стартапів, більше університетських програм, – я вважаю це саме тим, що нам потрібно.
Тож замість того, щоб зосереджуватися на тому, чи буде крах чи «квантова зима», я зосереджуюсь на залученні цих лідерів думок, залучення цих інноваторів до столу та демократизації квантової діяльності, щоб ми могли швидко знайти рішення. Якщо ми демонструватимемо прогрес, квантової зими не буде, і я вірю, що ми зможемо досягти такого прогресу в усіх сферах, від пристроїв і машин до програмного забезпечення та програм.
Чи плануєте ви дату «Q-day», тобто дня, коли перший практичний комп’ютер з’явиться в мережі?
Квантові комп’ютери вже онлайн. Вони знаходяться в Azure, і ви можете отримати до них доступ. Але швидкість, з якою ми розширюємо масштаб і досягаємо кількісної переваги, залежить від того, чи всі залучаються та включаються. У Microsoft ми працюємо якнайшвидше, щоб розширити машину та масштабувати платформу, але ми також залежимо від людей розробка алгоритмів, які вимагають менше кубітів – можливо, використовуючи QIR для створення кращого стеку компіляції. Прогрес полягає в зміні обох сторін, покращенні машини, а також зниженні вартості алгоритмів. Це те, що змінить хронологію та прискорить день, коли ми побачимо практичну квантову перевагу.
