Dân chủ hóa hệ sinh thái lượng tử: Krysta Svore của Microsoft trên con đường hướng tới một máy tính lượng tử có thể mở rộng

Trên toàn cầu, các công ty lớn và nhỏ đang chạy đua để phát triển và tung ra các công nghệ điện toán dựa trên vật lý lượng tử. Mặc dù các nguyên tắc cơ bản đã được áp dụng trong một vài thập kỷ, nhưng các nhà nghiên cứu, ngành công nghiệp và chính phủ đều đang nỗ lực xây dựng và nhân rộng các máy tính lượng tử thực tế, với công ty công nghệ Microsoft của Hoa Kỳ là nhân tố chủ chốt. 

Đầu năm nay, kỹ sư ưu tú và người đứng đầu Nhóm Lượng tử của Microsoft, Krysta Svore, đã đưa ra một bài phát biểu quan trọng tại The Economist tạp chí Lượng tử thương mại hóa sự kiện ở Luân Đôn. Cô ấy sau đó đã bắt kịp với Thế giới vật lý để thảo luận về con đường của công ty hướng tới một hệ thống lượng tử có thể mở rộng – từ các qubit tô pô, đến Azure của Microsoft nền tảng điện toán đám mây lượng tử và quan hệ đối tác kết hợp, với toàn bộ thị trường lượng tử. 

Hiện tại Microsoft đang làm gì trong thế giới lượng tử?

Một trong những câu hỏi mà chúng tôi đang xem xét là làm thế nào để đẩy nhanh hành trình đạt được lợi thế lượng tử. Trước hết, ý tôi muốn nói về lợi thế lượng tử là chúng ta muốn có thể giải quyết các vấn đề có ý nghĩa và sẽ giúp đưa xã hội của chúng ta tiến lên. Tôi có một cô con gái và tôi muốn thay đổi tương lai cho con bé – tôi không muốn để lại cho con bé những thách thức to lớn liên quan đến tính bền vững, biến đổi khí hậu, năng lượng và tìm ra những cách tốt hơn để sử dụng tài nguyên trên hành tinh của chúng ta. 

Với điện toán lượng tử, có hy vọng rằng chúng ta có thể bắt đầu giải quyết một số vấn đề này, nhưng chúng ta sẽ không thể làm điều đó với một máy tính lượng tử như một cỗ máy độc lập. Ví dụ, để tìm ra cách cải thiện quá trình cố định nitơ hoặc thu giữ carbon dioxide và chuyển đổi nó thành metanol, bạn thực sự cần một giải pháp lai, một giải pháp tích hợp điện toán lượng tử vào một siêu máy tính cổ điển. Vì vậy, đó là những gì chúng tôi đang xây dựng tại Microsoft với hệ thống điện toán đám mây Azure của chúng tôi. Chúng tôi đang hướng tới việc tạo ra một siêu máy tính kết hợp, không đồng nhất, được hỗ trợ bởi AI, lượng tử sẽ mang lại giải pháp cho các loại vấn đề này. 

Chúng tôi cũng đang nghĩ về nền tảng phần mềm của mình. Chúng tôi đã nghiên cứu các thuật toán lượng tử trong nhiều năm, vì vậy chúng tôi đã sử dụng những gì đã học được về cách tối ưu hóa và biên dịch chúng, đồng thời mang kiến ​​thức đó vào nền tảng của chúng tôi. Ngay bây giờ, với Azure, bạn có thể thử các sự cố nhỏ trên một bộ phần cứng thực tế đa dạng do các đối tác khác nhau của chúng tôi cung cấp. Nhưng bạn cũng có thể viết các ứng dụng, phát triển mã của mình, quyết định bạn sẽ cần một máy tính lượng tử lớn như thế nào và tìm ra cách nó sẽ hoạt động cùng với một máy tính cổ điển. Bạn có thể thực hiện tích hợp đó và bắt đầu gỡ lỗi mã ngay bây giờ, vì mã đó sẽ vẫn hợp lệ khi các máy mở rộng quy mô và được tích hợp hoàn toàn với đám mây.

Tầm nhìn của bạn về cách chúng ta đạt đến quy mô mà chúng ta có thể làm điều gì đó có ý nghĩa với máy tính lượng tử là gì?

Microsoft đã suy nghĩ về quy mô ngay từ đầu. Chúng tôi đã nghiên cứu các thuật toán lượng tử; chúng tôi đã nghiên cứu vật lý; chúng tôi đã làm việc trên toàn bộ kiến ​​trúc hệ thống từ phần mềm đến phần cứng. Và những gì chúng ta học được về quy mô là chúng ta cần đặt ra câu hỏi khác về qubit và cỗ máy lượng tử của chúng ta. 

Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu, chúng tôi đã xác định rằng một cỗ máy thành công cần có ba đặc điểm chính. Đầu tiên, nó cần phải có kích thước phù hợp. Qubit cần phải đủ nhỏ để bạn có thể chứa một triệu qubit trên một tấm wafer, để cỗ máy cuối cùng sẽ không có kích thước bằng một tòa nhà chọc trời. Tiếp theo, nó cần phải là tốc độ phù hợp. Máy cần phải đủ nhanh để khi bạn chạy hàng tỷ hoạt động, tất cả chúng có thể hoàn thành trong vài tuần, vì vậy chúng tôi không phải đợi hơn một tháng để có giải pháp đầu cuối đầy đủ kết hợp cổ điển và các nguyên tố lượng tử. Cuối cùng, chúng tôi cần một qubit đủ tin cậy khi chúng tôi mở rộng quy mô; một thứ sẽ không tiêu tốn nhiều tài nguyên vì chúng tôi đang tận dụng các thuộc tính qubit nội tại, tự nhiên để sửa lỗi. Đó là những gì sẽ cho phép chúng tôi chạy hàng tỷ hoạt động. 

Tại Microsoft, chúng tôi đã xác định và thiết kế một qubit mà chúng tôi cảm thấy phù hợp về mọi mặt: qubit topo. Và trong vài tháng qua, chúng tôi đã chia sẻ một số tiến bộ thực sự thú vị mà chúng tôi đã đạt được đối với việc tạo ra qubit này. Về bản chất, chúng tôi đã thiết kế các thiết bị thể hiện vật lý rất khó nắm bắt này đã được đưa ra giả thuyết trong một thế kỷ, theo đó cái gọi là Chế độ không Majorana xuất hiện ở phần cuối của dây nano. Đây là một dấu hiệu của loại vật lý mà chúng ta cần để chứng minh một qubit topo, vì vậy nó là một cột mốc rất quan trọng đối với cả khoa học và để xây dựng nền tảng mà chúng ta cần nói, “Được rồi, chúng ta sẽ đạt được một triệu qubit.” 

Hãy cho tôi biết thêm về qubit topo này. Nó như thế nào khi nói đến sự mạnh mẽ? Có cần phải ở nhiệt độ đông lạnh?

Vâng, nó hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh, vì vậy về mặt đó, nó rất giống một số qubit khác trong ngành, chẳng hạn như qubit siêu dẫn. Nó ở trong tủ lạnh pha loãng và 100 mK gần như là phạm vi nhiệt độ. Xét về độ bền, đây là điều chúng tôi sẽ nghiên cứu cho cuộc trình diễn tiếp theo. Những gì chúng tôi đã trình bày cho đến nay là vật lý cơ bản cơ bản và các thuộc tính của chế độ XNUMX Majorana, nhưng bây giờ chúng tôi cần tạo ra một qubit từ đó. Ý tôi là thứ gì đó mà bạn có thể thực hiện các thao tác với nó; một cái gì đó bạn có thể kiểm soát và đọc ra. Một khi chúng tôi làm điều đó, thì chúng tôi sẽ có thể đo lường nó và nói, “Được rồi, đây là thời gian tồn tại của nó. Đây là cách nó mạch lạc. 

Nhưng điều tuyệt vời về qubit tô pô – và lý do chúng tôi đầu tư vào nó – là nó có khả năng bảo vệ lỗi tự nhiên này mà chúng tôi tin rằng sẽ giúp nó mở rộng quy mô. Thuộc tính này bắt nguồn từ thực tế là thông tin mà qubit mã hóa, theo một nghĩa nào đó, được chia thành bốn chế độ XNUMX Majorana, một chế độ ở mỗi đầu của hai dây nano. Nếu tự nhiên cố gắng làm xáo trộn chỉ một trong những chế độ không Majorana đó, thì nó sẽ không thực sự làm tổn hại đến trạng thái lượng tử. Ngược lại, với một qubit siêu dẫn, trạng thái lượng tử được giữ tại một điểm duy nhất, vì vậy nếu bạn bị nhiễu tại điểm đó, thì trạng thái này sẽ bị tách rời. Không giống như vậy, chúng tôi có một mức độ sửa lỗi hoặc khả năng chịu lỗi được tích hợp vào qubit cấu trúc liên kết của chúng tôi.

Tại thời điểm nào bạn có thể chạy một vấn đề trên qubit cấu trúc liên kết của Microsoft và sau đó lặp lại thử nghiệm bằng cách sử dụng một loại qubit khác và đảm bảo chúng tôi nhận được cùng một đầu ra? 

Tôi thích hướng đi của bạn với điều này và tôi rất vui khi nói với bạn rằng chúng ta có thể làm điều đó ngày hôm nay. Trên thực tế, đó là một phần vẻ đẹp của Azure Quantum – nó mang đến cho mọi người cơ hội chạy cùng một mã trên nhiều máy tính lượng tử, thông qua dịch vụ đám mây mà chúng tôi có. Bạn có thể viết một đoạn mã duy nhất – có thể đó là một phiên bản nhỏ của thuật toán Azure, có thể nó là lượng tử tương đương với “xin chào thế giới” – và chạy nó trên phần cứng do các công ty phát triển như Chân không lượng tử và ionQ. Đó là cả hai nền tảng bẫy ion, nhưng chúng tôi cũng đang hợp tác với Công ty Mạch lượng tử (QCI), sử dụng nền tảng qubit siêu dẫn và chúng tôi có nền tảng qubit siêu dẫn dựa trên chất bán dẫn silicon từ Máy tính Rigetti và một nền tảng xử lý lượng tử nguyên tử trung tính từ Pascal, cả hai sẽ sớm ra mắt trực tuyến.

Vì vậy, đó là năm nền tảng phần cứng lượng tử khác nhau có sẵn thông qua Azure và điều thực sự gọn gàng là tính linh hoạt mà bạn có với mã. Bạn có thể viết thuật toán lượng tử của mình trong Q#, một ngôn ngữ cấp cao để phát triển thuật toán. Đó sẽ là lựa chọn của tôi, nhưng bạn cũng có thể nhập mã của riêng mình. Ví dụ: nếu trước đây bạn đã chạy sự cố của mình trên một trong các thiết bị của IBM và bạn có qiskit mã đã được viết, thì bạn cũng có thể thực thi mã đó trên hệ thống của chúng tôi. Bạn có thể chọn bất kỳ một trong năm nền tảng phần cứng và nó sẽ biên dịch mã cho bạn thành bất kỳ “phần phụ trợ” nào bạn chọn.

Điều đó có nghĩa là bạn có thể chạy cùng một ứng dụng trên tất cả các thiết bị back-end đó và xem nó hoạt động như thế nào. Tất nhiên, vì các thiết bị này có kiến ​​trúc khác nhau, kết nối khác nhau và thậm chí cả tốc độ và độ trung thực hoạt động khác nhau. Thông qua Azure, bạn có thể tìm hiểu tất cả về những điểm khác biệt và tương đồng đó.

Bạn có dự định đưa vào các nền tảng phần cứng bổ sung không?

Vâng, chúng tôi thực sự tin tưởng vào việc dân chủ hóa điện toán lượng tử bằng cách đưa cộng đồng vào để phát triển hệ sinh thái. Phần lớn mã và công cụ nền tảng của chúng tôi là mã nguồn mở và cũng như nhiều nhà cung cấp phần cứng, chúng tôi có rất nhiều trình mô phỏng đến từ các đối tác của mình. Đây là những chương trình giúp bạn tìm ra cách mã của bạn sẽ chạy trên một nền tảng phần cứng nhất định, trước khi bạn thực thi nó. Chúng tôi cũng có cái được gọi là công cụ ước tính tài nguyên mà bạn có thể sử dụng nếu muốn biết bạn sẽ tốn bao nhiêu tiền để chạy một thuật toán sau khi các máy mở rộng quy mô hoặc bạn sẽ cần một máy lớn như thế nào. 

Một sự phát triển thú vị hơn nữa là cái mà chúng ta gọi là Đại diện trung gian lượng tử (QIR), cho phép bạn sử dụng bất kỳ ngôn ngữ cấp cao nào (chọn ngôn ngữ yêu thích của bạn), ánh xạ ngôn ngữ đó tới QIR và gửi ngôn ngữ đó tới bất kỳ nhà cung cấp phụ trợ nào. Chúng tôi coi đây là một lớp quan trọng trong ngăn xếp phần mềm toàn cầu, vì nó là thứ tạo điều kiện thuận lợi cho việc dịch hoặc ánh xạ lên các phần cứng khác nhau.

Bạn có thể coi QIR là một ngôn ngữ trung gian phổ quát cho phép giao tiếp giữa các ngôn ngữ cấp cao và máy móc. Nhiều tổ chức đã áp dụng nó rồi. Nó được phát triển như một phần của liên minh thông qua Quỹ phát triển chung của Linux Foundation. Trên thực tế, QCI, Quantinuum, Rigetti, Nvidia và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đều đã thông báo rằng họ sẽ xây dựng trình biên dịch của mình thông qua QIR.

Và đó là tất cả một phần của những gì được gọi là LLVM, là khung trình biên dịch cổ điển rất phổ biến, do đó, nó cho phép bạn tận dụng các công cụ biên dịch và tối ưu hóa từ ngành điện toán cổ điển. Điều đó thực sự cắt giảm chi phí viết bản dịch. Nếu không, bạn sẽ phải viết mã mới cho mọi ngôn ngữ cho mọi mặt sau, điều này sẽ rất tốn kém.

Thị trường lượng tử hiện đang ở một giai đoạn thú vị. Có vẻ như mỗi tuần đều có những công ty lượng tử mới ra mắt, nhưng giai đoạn bùng nổ lớn này đang diễn ra trước khi công nghệ này thực sự hình thành. Bạn có lo lắng rằng sẽ có một bức tượng bán thân?

Tôi tin rằng chúng ta cần rất nhiều bộ óc cùng bàn để thúc đẩy công nghệ này và đẩy nhanh tiến độ của chúng ta. Theo truyền thống, với loại công nghệ này, những tiến bộ sẽ được tính bằng thập kỷ. Chỉ cần nghĩ về khoảng thời gian từ khi phát minh ra bóng bán dẫn đến khi có điện thoại di động và iPhone. Chúng tôi không muốn điều đó với điện toán lượng tử. Chúng tôi muốn tăng tốc nó lên. 

Tôi tin rằng chúng ta cần rất nhiều bộ óc cùng bàn để thúc đẩy công nghệ này và đẩy nhanh tiến độ của chúng ta

Tin tốt là chúng tôi có lợi thế rất lớn – chúng tôi đã có phần mềm và máy tính cổ điển. Những người tiền nhiệm của chúng tôi không có khả năng mô hình hóa những gì họ đang làm khi họ chuyển từ ống chân không sang bóng bán dẫn sang mạch tích hợp. Họ không có máy tính cổ điển để trợ giúp, trong khi chúng tôi có chúng trong tầm tay. Khi tôi thấy hệ sinh thái phát triển – nhiều công ty hơn, nhiều công ty khởi nghiệp hơn, nhiều chương trình cấp bằng đại học hơn – tôi xem đó chính xác là những gì chúng ta cần.

Vì vậy, thay vì tập trung vào việc liệu sẽ có một vụ phá sản hay một “mùa đông lượng tử”, tôi tập trung vào việc thu hút những nhà lãnh đạo có tư tưởng đó, đưa những nhà đổi mới đó lên bàn và dân chủ hóa lượng tử để chúng ta có thể nhanh chóng đưa ra giải pháp. Nếu chúng ta đang thể hiện sự tiến bộ thì sẽ không có mùa đông lượng tử và tôi tin rằng chúng ta có thể đạt được tiến bộ đó trên tất cả các lĩnh vực, từ thiết bị và máy móc đến phần mềm và ứng dụng.

Bạn có nghĩ đến một ngày nào đó cho “Q-day” – tức là ngày chiếc máy tính thực tế đầu tiên xuất hiện trực tuyến không?

Máy tính lượng tử đã trực tuyến. Chúng ở trong Azure và bạn có thể truy cập chúng. Nhưng tốc độ chúng tôi mở rộng quy mô và đạt được lợi thế lượng tử phụ thuộc vào việc mọi người tham gia và tham gia. Tại Microsoft, chúng tôi đang chạy nhanh nhất có thể để mở rộng quy mô máy và mở rộng nền tảng, nhưng chúng tôi cũng phụ thuộc vào con người phát triển các thuật toán yêu cầu ít qubit hơn – có thể bằng cách tham gia và sử dụng QIR để tạo ngăn xếp biên dịch tốt hơn. Tiến bộ là tạo ra sự khác biệt từ cả hai phía, cải thiện máy cũng như giảm chi phí của các thuật toán. Đó là điều sẽ thay đổi dòng thời gian và đẩy nhanh ngày chúng ta sẽ thấy lợi thế lượng tử thực tế.