Jak powstał procesor kwantowy Microsoftu? Opowiedziała mi o tym jego współprojektantka

Miałem niezwykłą okazję uczestniczyć w wykładzie Krysty Svore, Technical Fellow w dziale Advanced Quantum Development Microsoftu, który odbył się w ramach obchodów 50-lecia firmy. Krysta Svore nie jest przypadkową osobą w świecie kwantowym. To prawdziwa wizjonerka i ekspertka, która prowadzi zespół zajmujący się realizacją komercyjnego, skalowalnego systemu obliczeniowego i ekosystemu kwantowego. Svore, która swoją karierę w Microsofcie zaczynała od rozwijania metod uczenia maszynowego dla aplikacji internetowych, jest obecnie na czele jednego z najbardziej ambitnych projektów technologicznych naszych czasów.

Z doktoratem z informatyki z Uniwersytetu Columbia i imponującym dorobkiem ponad 70 publikacji naukowych oraz 30 patentów, Svore jest niekwestionowanym autorytetem w dziedzinie obliczeń kwantowych. Jest członkinią Narodowej Akademii Nauk, doradczynią National Quantum Initiative i byłą członkinią Komitetu ISAT agencji DARPA.

Czytaj też:

Centralnym punktem wykładu było omówienie Majorana 1 - rewolucyjnego chipu kwantowego, który Microsoft oficjalnie zaprezentował w lutym.

- Majorana 1 to pierwszy na świecie chip kwantowy zasilany przez nową architekturę Topological Core, który ma zrealizować komputery kwantowe zdolne do rozwiązywania znaczących problemów przemysłowych w latach, a nie dekadach - tłumaczyła Svore, nie kryjąc dumy.

To, co czyni Majorana 1 wyjątkowym, to wykorzystanie pierwszego na świecie topokonduktora - przełomowego rodzaju materiału, który może obserwować i kontrolować cząstki Majorany, aby produkować bardziej niezawodne i skalowalne kubity.

Chip ten jest hybrydowym urządzeniem indowo-arsenidowo-aluminiowym, które wykazuje nadprzewodnictwo w niskich temperaturach i pokazuje pewne sygnały występowania granicznych modów zerowych Majorany. Te mody zerowe Majorany mają potencjalne zastosowanie w tworzeniu kubitów topologicznych, a ostatecznie wielkoskalowych topologicznych komputerów kwantowych. Urządzenie może pomieścić osiem kubitów topologicznych.

Svore wyjaśniła, że tradycyjne kubity są bardzo podatne na zakłócenia i dekoherencję, co stanowi jedno z głównych wyzwań w rozwoju komputerów kwantowych. Tu z pomocą przychodzą kubity topologiczne, które wykorzystują topologiczne właściwości systemu do ochrony informacji kwantowej przed zakłóceniami środowiskowymi.

Svore podkreśliła, że teoretycznie kubit topologiczny jest bardziej stabilny niż jakikolwiek inny kubit zaprojektowany do tej pory, co oznacza, że kwantowa maszyna będzie wystarczająco mała, aby zmieścić się w szafie i wystarczająco szybka, aby rozwiązywać problemy w ciągu dni lub tygodni.

- Nasze kubity topologiczne są małe, szybkie i odporne na błędy, wymagając mniej korekcji błędów niż inne typy kubitów. Po 20 latach badań, które doprowadziły do tego przełomu, Microsoft ma ścieżkę do stworzenia 1 miliona kubitów na chipie, który mieści się w dłoni - stwierdziła Svore

Najbardziej ambitnym aspektem strategii Microsoftu, który Svore przedstawiła podczas wykładu, jest dążenie do stworzenia komputera kwantowego z milionem kubitów.

- Maszyna kwantowa zdolna do rozwiązania wielu najtrudniejszych problemów stojących przed ludzkością będzie ostatecznie wymagać co najmniej 1 miliona stabilnych kubitów, które będą w stanie wykonać 1 kwintylion operacji, popełniając przy tym co najwyżej jeden błąd - wyjaśniała Svore.

To, co wyróżnia podejście Microsoftu, to jasna ścieżka do osiągnięcia tej skali. Jest to potrzebny próg, aby komputery kwantowe mogły dostarczać transformacyjne rozwiązania dla rzeczywistych problemów, takich jak rozkład mikroplastików na nieszkodliwe produkty uboczne lub wynalezienie samoleczących się materiałów dla budownictwa, produkcji czy opieki zdrowotnej.

Ważnym elementem strategii kwantowej Microsoftu jest integracja z platformą Azure.

- Platforma Azure umożliwi urzeczywistnienie skalowalnych obliczeń kwantowych, a następnie płynne dostarczanie ich głębokich korzyści naszym klientom - mówiła Svore.

Podczas gdy unikalna topologiczna konstrukcja kubitów znacznie zwiększy odporność maszyny kwantowej na błędy, zaawansowane oprogramowanie i ogromna moc obliczeniowa będą nadal wymagane do utrzymania stabilności maszyny. Maszyna kwantowa będzie zintegrowana z klasycznymi wystąpieniami obliczeniowymi w petaskali na platformie Azure i będzie w stanie obsługiwać przepustowości między kwantami a klasycznymi, które przekraczają 10-100 terabitów na sekundę.

Azure Quantum oferuje obecnie różne rozwiązania kwantowe, w tym dostęp do różnych urządzeń sprzętowych kwantowych i symulatorów kwantowych. Podczas prezentacji Krysta pokazała imponującą listę dostawców obliczeń kwantowych dostępnych w Azure Quantum, w tym IonQ, PASQAL, Quantinuum i Rigetti, z których każdy oferuje unikalne podejście do obliczeń kwantowych.

Innym fascynującym aspektem strategii kwantowej Microsoftu jest współpraca z Atom Computing. Obie firmy wspólnie oferują najnowocześniejszy niezawodny komputer kwantowy zbudowany z neutralno-atomowego sprzętu Atom i systemu wirtualizacji kubitów Microsoftu.

- W branży obliczeń kwantowych badane są różne typy fizycznych kubitów jako potencjalne ścieżki do hybrydowego superkomputingu kwantowo-klasycznego - wyjaśniała Svore. - Jednak nie wszystkie typy kubitów pozwalają na korekcję błędów kwantowych potrzebną do umożliwienia bardziej niezawodnych obliczeń kwantowych – dodała.

Atom Computing wykorzystuje neutralne atomy jako kubity do przechowywania i przetwarzania informacji kwantowych poprzez manipulację impulsami światła. W porównaniu do innych technologii kubitów neutralne atomy mają kilka zalet, w tym możliwość ścisłego upakowania w tablicach przy jednoczesnym utrzymywaniu ich na miejscu za pomocą laserów.

Podczas wykładu Svore poświęciła dużo czasu na omówienie potencjalnych zastosowań komputerów kwantowych.

- Ponieważ mogą one wykorzystywać mechanikę kwantową do matematycznego mapowania, jak natura zachowuje się z niesamowitą precyzją, maszyny z milionem kubitów będą w stanie rozwiązać pewne typy problemów w chemii, naukach o materiałach i innych branżach, które są niemożliwe do dokładnego obliczenia dla dzisiejszych klasycznych komputerów - tłumaczyła Svore.

Te potężne maszyny kwantowe mogą pomóc innowatorom rozwijać samonaprawiające się materiały, rozkładać zanieczyszczenia lub tworzyć nietoksyczne alternatywy oraz znajdować nowe rozwiązania w zakresie opieki zdrowotnej i rolnictwa, takie jak bardziej wydajne nawozy.

Z podejściem opartym na kubitach topologicznych Microsoft ma jasną ścieżkę do stworzenia komputera kwantowego z milionem kubitów, co jest progiem potrzebnym do dostarczenia transformacyjnych rozwiązań dla rzeczywistych problemów. Komputery kwantowe przestają być odległą wizją przyszłości, a stają się namacalną rzeczywistością, która wkrótce może zmienić oblicze naszego świata. A Microsoft, z Krystą Svore na czele kwantowego zespołu, jest gotowy przewodzić tej rewolucji.