克里斯塔·斯沃尔Microsoft Quantum 副总裁与 Tushna Commissariat 谈论公司的量子优势之旅
在全球范围内，大大小小的公司都在竞相开发和推出基于量子物理学的计算技术。 虽然基本原则已经存在了几十年，但研究人员、行业和政府都在努力构建和扩展实用的量子计算机，美国科技公司微软是其中的关键参与者。
今年早些时候，杰出的工程师兼负责人 微软的量子团队，Krysta Svore, 发表主题演讲 “经济学家” 杂志的商业化量子 事件在伦敦。 她后来赶上了 物理世界 讨论公司通往可扩展量子系统的途径——从拓扑量子位到 微软的Azure 量子云计算平台和混合合作伙伴关系，到整个量子市场。
微软现在在量子世界做什么？
我们正在考虑的问题之一是如何加速量子优势之旅。 我所说的量子优势的意思是，首先，我们希望能够解决有意义的问题，并有助于推动我们的社会向前发展。 我有一个女儿，我想为她改变未来——我不想给她留下这些与可持续发展、气候变化、能源和寻找更好的方式使用我们星球上的资源有关的巨大挑战。
有了量子计算，我们就有希望开始解决其中的一些问题，但我们无法将量子计算机作为一台独立的机器来解决。 例如，要弄清楚如何改善固氮作用，或捕获二氧化碳并将其转化为甲醇，您确实需要一种混合解决方案，一种将量子计算集成到经典超级计算机中的解决方案。 这就是我们正在建设的 微软与我们的云计算 Azure 系统. 我们的目标是生产一种混合的、异构的、人工智能驱动的、量子驱动的超级计算机，它将为这些类型的问题提出解决方案。
我们也在考虑我们的软件平台。 多年来，我们一直在研究量子算法，所以我们已经利用我们所学到的关于如何优化和编译它们的知识，并将这些知识带到我们的平台上。 现在，借助 Azure，你可以在我们各个合作伙伴提供的各种真实硬件上尝试小问题。 但你也可以编写应用程序、开发代码、决定你需要多大的量子计算机，并计算出它如何与经典计算机一起运行。 您现在可以执行该集成并开始调试代码，因为随着机器的扩展并与云完全集成，该代码将保持有效。
对于我们如何达到可以用量子计算机做一些有意义的事情的规模，您有什么看法？
微软从一开始就在考虑扩展。 我们研究过量子算法； 我们学过物理学； 我们研究了从软件到硬件的整个系统架构。 我们对规模的了解是我们需要对我们的量子比特和我们的量子机器提出不同的要求。
经过数十年的研究，我们发现一台成功的机器需要具备三个关键特性。 首先，它需要大小合适。 量子位需要足够小，可以在晶圆上容纳一百万个，这样机器就不会像摩天大楼那么大。 接下来，它需要正确的速度。 机器需要足够快，当你运行数十亿次操作时，所有这些操作都可以在几周内完成，这样我们就不会等待超过一个月的时间来获得结合经典和量子元素。 最后，我们需要一个在我们扩大规模时足够可靠的量子比特； 一种不会消耗那么多资源的方法，因为我们正在利用自然的、固有的量子比特属性来纠正错误。 这将使我们能够运行数十亿次操作。
在微软，我们已经确定并设计了一个我们认为在所有这些方面都恰到好处的量子位： 拓扑量子比特. 在过去的几个月里，我们分享了我们在创建这个量子位方面取得的一些非常令人兴奋的进展。 从本质上讲，我们设计的设备可以证明这个被假设了一个世纪的非常难以捉摸的物理现象，即所谓的 马约拉纳零模出现在纳米线的末端. 这是我们展示拓扑量子位所需的物理学类型的标志，因此对于科学和建立我们需要说的基础来说，这是一个非常重要的里程碑，“好的，我们将达到一百万个量子位。”
告诉我更多关于这个拓扑量子位的信息。 鲁棒性如何？ 是否需要在低温下？
是的，它在低温下运行，所以在这方面它非常像行业中的其他一些量子位，例如超导量子位。 它在稀释冰箱中，100 mK 大致是温度范围。 就稳健性而言，这是我们将为下一次演示所做的工作。 到目前为止，我们展示的是基础物理和马约拉纳零模式的属性，但现在我们需要从中创建一个量子位. 我的意思是您可以执行操作的东西； 你可以控制和读出的东西。 一旦我们这样做了，我们就可以测量它并说，“好吧，这是它的寿命。 这就是它的连贯性。”
但是拓扑量子比特的美妙之处——以及我们如此投资于它的原因——在于它具有我们认为将有助于其扩展的自然错误保护。 这一特性源于这样一个事实，即在某种意义上，量子位编码的信息分为四个马约拉纳零模式，一个在两条纳米线的两端。 如果大自然试图干扰其中一个马约拉纳零模式，它实际上不会伤害量子态。 相比之下，对于超导量子位，量子态保持在一个点上，所以如果你在那个点上得到噪声，状态就会退相干。 与此不同的是，我们在拓扑量子比特中内置了一定程度的纠错或容错。
什么时候你可以在微软的拓扑量子比特上运行一个问题，然后使用不同类型的量子比特重复实验，并确保我们得到相同的输出？
我喜欢你的目标，我很高兴地告诉你我们今天可以做到。 事实上，这就是 Azure Quantum 的魅力所在——它让人们有机会通过我们拥有的云服务在多台量子计算机上运行相同的代码。 您可以编写一段代码——也许它是 Azure 算法的一个小实例，也许它是“hello world”的量子等价物——然后在由诸如此类的公司开发的硬件上运行它 量子 和 IonQ. 这些都是离子阱平台，但我们也在与 量子电路公司 (QCI)，它使用超导量子位平台，我们有一个基于硅半导体的超导量子位平台 Rigetti计算 和一个中性原子量子处理器平台 帕斯卡尔，两者都将很快上线。
因此，Azure 提供了五种不同的量子硬件平台，真正出色的是代码的灵活性。 你可以把你的量子算法写在 Q#，一种用于算法开发的高级语言. 那将是我的选择，但您也可以使用自己的代码。 例如，如果您以前曾在 IBM 的设备之一上运行过您的问题，并且您有他们的 奇斯奇 已经编写的代码，那么您也可以在我们的系统上简单地执行该代码。 您可以选择五个硬件平台中的任何一个，它会为您编译代码到您选择的任何“后端”。
这意味着您可以在所有这些后端设备上运行相同的应用程序并查看它的行为方式。 当然，因为这些设备具有不同的架构、不同的连接性，甚至不同的操作速度和保真度。 通过 Azure，您可以了解所有这些异同。
您是否计划引入额外的硬件平台？
是的，我们真的相信通过让社区参与发展生态系统来使量子计算民主化。 我们的大部分代码和平台工具都是开源的，除了多家硬件供应商之外，我们还有来自合作伙伴的各种模拟器。 这些程序可帮助您在执行代码之前确定代码将如何在给定的硬件平台上运行。 我们还有所谓的资源估算器，如果你想知道一旦机器规模扩大，你将花费多少算法来运行，或者你需要多大的机器，你可以使用它。
我们称之为进一步令人兴奋的发展 量子中间表示 (QIR)，它允许您使用任何高级语言（选择您最喜欢的语言），将其映射到 QIR 并将其发送给任意数量的后端提供商。 我们将其视为全球软件堆栈中的一个重要层，因为它有助于轻松转换或映射到不同的硬件。
您可以将 QIR 视为一种通用的中间层语言，它支持高级语言和机器之间的通信。 许多组织已经采用了它。 它是作为联盟的一部分开发的 Linux基金会联合开发基金会. 事实上，QCI、Quantinuum、Rigetti、 Nvidia公司 和 橡树岭国家实验室 都宣布他们将通过 QIR 构建他们的编译器。
这都是所谓的一部分 LLVM，这是一个非常流行的经典编译器框架，因此它允许您利用经典计算行业的编译和优化工具。 这确实降低了编写翻译的成本。 否则，您将不得不为每个后端为每种语言编写新代码，这将非常昂贵。
量子市场目前正处于一个有趣的阶段。 似乎每周都有新的量子公司成立，但这种大规模的繁荣阶段是在技术真正成熟之前发生的。 你担心会有半身像吗？
我相信我们需要很多很多的头脑来推动这项技术并加速我们的进步。 传统上，使用这种技术，进步需要几十年。 想想从发明晶体管到拥有手机和 iPhone 所花费的时间。 我们不希望量子计算出现这种情况。 我们想加快速度。
我相信我们需要很多很多的头脑来推动这项技术并加速我们的进步
好消息是我们有巨大的优势——我们已经有了软件和经典计算机。 当他们从真空管转向晶体管再到集成电路时，我们的前辈没有能力对他们所做的事情进行建模。 他们没有经典的计算机来帮助他们，而我们却可以轻松获得它们。 当我看到生态系统发展时——更多的公司、更多的初创企业、更多的大学学位课程——我认为这正是我们所需要的。
因此，我没有专注于是否会出现萧条或“量子冬天”，而是专注于吸引那些思想领袖，将这些创新者带到谈判桌上并使量子民主化，以便我们能够快速找到解决方案。 如果我们展示进步，就不会有量子冬天，我相信我们可以在所有领域取得进步，从设备和机器到软件和应用程序。
您有没有想好“Q 日”的日期——即第一台实用计算机上线的日子？
量子计算机已经上线。 它们在 Azure 中，您可以访问它们。 但我们扩大规模和获得量子优势的速度取决于每个人的参与和投入。在微软，我们正在尽可能快地扩大机器和扩展平台，但我们也依赖于人开发需要更少量子位的算法——也许通过加入并使用 QIR 来创建更好的编译堆栈。 进步是要从两端有所作为，改进机器并降低算法成本。 这将改变时间表并加快我们看到实际量子优势的那一天。
