Pod koniec ubiegłego roku Microsoft doszedł do punktu, w którym mógł jednoznacznie ogłosić: Badania skończone. Budujemy komputer kwantowy. Kilkadziesiąt lat obliczeń na polu teoretycznym dało podstawy dla inżynierii. Komputer kwantowy Microsoftu opiera się na kubitach topologicznych, które - jak dowodzą badacze - są na tyle stabilną wariacją na temat bitu kwantowego, że w pewnych określonych warunkach zdolne są do pracy w realnych scenariuszach. Microsoft tworzy system kwantowy w sposób całościowy, tzn. obejmujący sprzęt, oprogramowanie i język programowania, z którego niebawem będą mogli zacząć korzystać zainteresowani deweloperzy. Jak dokładnie wygląda podejście Microsoftu do tego tematu? Jak w ogóle wygląda historia komputeryzacji kwantowej w firmie? I wreszcie do jakich zastosowań będzie można użyć topologicznego komputera kwantowego? Odpowiedzi na wszystkie te pytania znajdziecie w naszym artykule.
Magiczny stan poprzedzony latami obliczeń
Kiedy dwadzieścia lat temu Michael Freedman dołączył do teoretycznej grupy badawczej Microsoftu, był on prominentnym geniuszem matematycznym, znanym głównie z fundamentalnych badań nad zawiłą dziedziną matematyki zwaną topologią. Jego praca - której jednak nie uważał za prawdziwą pracę - polegała po prostu na tym, aby nadal wykonywał obliczenia. Nie było w tym żadnego haczyka. Wprowadziło to Microsoft na drogę do stworzenia pierwszego kubitu topologicznego - stabilnego rodzaju kwantowego bitu, który tworzyć ma podstawę skalowalnego kwantowego systemu komputerowego służącego do ogólnych zastosowań i stanowi wyraźny przełom na polu fizyki kwantowej. W przeciwieństwie do tradycyjnych bitów w komputerach opartych na krzemie kubity mogą być zaadresowane wieloma różnymi zmiennymi (przyjąć inne wartości) jednocześnie, zwracając rezultaty w sposób szybszy niż tradycyjne procesory.
"Widzimy potencjalny fundament nowej, rewolucyjnej technologii" - powiedział Todd Holmdahl, CVP w Microsoft odpowiedzialny za komputery kwantowe. Na tegorocznej konferencji Microsoft Ignite zaprezentowano postępy, jakie firma poczyniła w pracach zarówno nad topologicznym kubitem, jak i nad ekosystemem składającym się ze sprzętu i oprogramowania, który docelowo pozwoli oddać do użytku możliwości komputerów kwantowych szerokiej grupie deweloperów i twórców. Ekosystem obejmuje też nowy język programowania komputerów kwantowych, który jest głęboko zintegrowany z Visual Studio. Ma on działać zarówno na symulatorze kwantowym, jak i na rzeczywistych urządzeniach.
System kwantowy, nad którym pracuje Microsoft, opiera się na gałęzi matematyki Freedmana i gałęzi fizyki pozornie tak mistycznej, że jej pionierzy posługują się językiem filozofii i duchowości, by ją wyjaśnić. "Jeśli mechanika kwantowa dogłębnie cię nie zszokowała, to znaczy, że jeszcze jej nie zrozumiałeś" - mówił Niels Bohr, fizyk, który w 1922 otrzymał Nagrodę Nobla za swoje prace w dziedzinie teorii kwantowej. Współcześni eksperci używają nawet tak metafizycznych pojęć, jak "magiczny stan", aby opisać niektóre teoretyczne i praktyczne aspekty mechaniki kwantowej. Choć przez taki język zatwardziali miłośnicy nauk ścisłych mogą pukać się w głowy, to uczeni uważają, że komputery kwantowe będą miały niezliczone zastosowania praktyczne. Jest tak głównie dlatego, że nowy rodzaj komputerów pozwoliłby naukowcom wykonywać złożone obliczenia w ciągu kilku minut lub godzin. Nie mówimy jednak o obliczeniach, które układom krzemowym zajmują kilka dni czy miesięcy. Mówi się o procesach zbliżonych do całego życia wszechświata nawet na najbardziej zaawansowanych komputerach, których używamy dzisiaj. To z kolei oznacza, że naukowcy mogliby znaleźć odpowiedzi na pytania, które wcześniej uważano za praktycznie nieweryfikowalne - między innymi ze względu na czas potrzebny do ich rozwiązania.
Zejdźmy jednak na Ziemię. Nim ktokolwiek po raz pierwszy zapyta komputer kwantowy o sens życia czy teorię wszystkiego, komputery kwantowe zostaną wykorzystane do rozwiązania najtrudniejszych problemów praktycznych, począwszy od głodu na świecie po skutki zmian klimatycznych. "Komputer kwantowy potrafi modelować naturę. Klasyczne komputery nie są w stanie zrozumieć tych procesów" - powiedziała Krysta Svore, zarządzająca rozwojem oprogramowania i symulatorów dla komputerów kwantowych w Microsoft. Jednym z najwcześniejszych zadań komputera kwantowego będzie pomoc badaczom AI w przyspieszeniu wymagających procesów trenowania algorytmów przy użyciu machine learningu.
Gdy mówimy o komputeryzacji kwantowej pod szyldem firmy z Redmond, nie można pominąć kolejnego ważnego nazwiska. Jest nim Craig Mundie, który jako główny dyrektor ds. badań i menedżer ds. strategii w Microsoft przez kilkanaście lat wspierał Freedmana w jego staraniach. Mundie zauważył między innymi, że komputer kwantowy może hipotetycznie przetworzyć algorytm treningowy dla asystentki Cortany w ciągu dnia, a nie miesiąca. Jeśli popatrzeć na to z szerszej perspektywy, możemy liczyć na ogromne przyspieszenie postępów w AI. "Nawet jeśli wszystko inne pozostałoby bez zmian, Cortana będzie ulepszać się 30 razy szybciej" - powiedział Mundie, który nadal głęboko angażuje się w projekt.
Od teorii do inżynierii
Naukowy dorobek życia Freedmana w matematyce teoretycznej powoli przekształca się w rzeczywistą platformę komputerową, która może rozwiązać problemy do tej pory nierozwiązywalne. W rzeczywistości badacz nie spodziewał się takich efektów i niewiele myślał o potencjalnym wpływie swojej pracy na prawdziwe życie: "Zapytano mnie o aplikacje na komputer kwantowy. Wiesz, co mnie motywuje? Czy chcę leczyć choroby, projektować nowe materiały, chronić środowisko? Prawda jest taka, że nic z tych rzeczy. Na chwilę obecną jedyną rzeczą, którą mnie w projekcie obchodzi, to to, żeby komputer kwantowy działał". Za resztę odpowiada już Microsoft. Firma deklaruje, że interesuje ją nie tyle budowa komputera kwantowego, który będzie obrastał w kurz w laboratorium, co opracowanie pełnoprawnego, topologicznego systemu. W jego skład wchodzić ma sprzęt zdolny do ciągłego prowadzenia obliczeń wymagających dziesiątków tysięcy logicznych kubitów oraz kompletny stos oprogramowania, które będzie programować i sterować komputerem kwantowym.
Microsoft pokłada w komputerze kwantowym ogromne nadzieje i zakłada jego wszechstronne zastosowanie. "Robimy wszystko - od fizyki, poprzez płaszczyznę sterowania, oprogramowanie, które napędza komputer, algorytmy, których potrzebujemy, żeby robić ciekawe rzeczy, takie jak chemia kwantowa, po aplikacje dla spersonalizowanej medycyny czy pomaganie przy zmianach klimatycznych" - mówi Todd Holmdahl. Microsoft prowadził nawet projekt dotyczący badań nad bezpieczeństwem i kryptografią w post-kwantowym świecie, a także współpracował z innymi firmami przy próbach przygotowania algorytmów kryptograficznych odpornych na kwantyfikację. Według prognoz za 10 lat będą istniały komputery kwantowe zdolne do łamania przynajmniej niezbyt mocnych tradycyjnych systemów kryptograficznych. Będą też powstawać kolejne fale post-kwantowych rozwiązań kryptograficznych, na które trzeba będzie się przygotować. Priorytetem w kwantowych wysiłkach giganta z Redmond pozostaje jednak topologiczny kubit.
Kilkanaście lat temu, gdy Freedman szukał u Mundiego poparcia dla swoich idei, ten miał stwierdzić, że komputeryzacja kwantowa była nieco deprecjonowana. Choć fizycy od lat mówili o możliwości zbudowania komputerów kwantowych, starali się stworzyć działające kubity o wystarczająco dużej wierności, aby można było ich użyć do budowy działającego komputera. Korzystając z fizycznych kubitów o minimalnym stopniu wierności, aby stworzyć jeden kubit "logiczny", wymaganych jest blisko 10 tysięcy kubitów. Dopiero taka liczba pozwala wykonać jakiekolwiek użyteczne obliczenia. Problem w tym, że kubity są bardzo kruche i dużo trudniejsze w utrzymaniu od tradycyjnych bitów w komputerach krzemowych. Każda interferencja, fala świetlna, wibracja cieplna, a nawet promieniowanie kosmiczne mogą zdestabilizować delikatny stan kwantowy, w którym znajdują się kubity. Głównie przez to istniejące prototypy komputerów kwantowych pozostają dość nieuchwytne i ograniczone do pracy z niewielką liczbą kubitów. Nawet jeśli dojdzie do naruszenia w minimalnym stopniu, następuje tzw. dekoherencja kwantowa, co - mówiąc językiem laika - sprawia, że kubit traci możliwość oddziaływania z otoczeniem. Oznacza to utratę informacji i możliwości wykorzystania do obliczeń. Odkrycia Freedmana dowiodły, że topologiczne kubity dzięki swoim właściwościom będą bardziej stabilne i zapewnią lepszą ochronę przed błędami. Wynika to z samej definicji topologicznego stanu materii, w którym elektron może być rozdzielony i pojawiać się w różnych miejscach wewnątrz systemu. W takim stanie rozdzielenia elektronów trudniej jest tę strukturę zakłócić, ponieważ należałoby zmienić wszystkie miejsca, w których przechowywane są informacje.
Stabilność i wbudowana tolerancja błędów sprawiły, że zaprojektowanie skalowalnej, użytecznej maszyny stało się dużo bardziej realistycznym wyzwaniem. Jak mówi Mundie, "komputeryzacja przekształciła już każdy sektor społeczeństwa i gospodarki. Zdałem sobie sprawę, że o ile zdołamy stworzyć nową klasę komputerów, która mogłaby zmienić te podstawowe elementy budulcowe, być może będziemy w stanie powtórzyć to, co komputery zmieniły w ciągu ostatnich 50 czy 60 lat".
Holistyczne podejście
Dzięki wsparciu Mundiego Freedman założył laboratorium w Santa Barbara w stanie Kalifornia i zaczął rekrutować prominentnych fizyków materii skondensowanej i teoretycznych, materiałoznawców, matematyków i informatyków, którzy rozpoczęli prace nad budową topologicznego kubitu. Dziś zespół szczyci się posiadaniem wybitnych ekspertów, takimi jak Leo Kouwenhoven, Charles Marcus, David Reilly i Matthias Troyer.
Aby stworzyć infrastrukturę dla pełnej platformy obliczeniowej, Microsoft pracował jednocześnie nad budową sprzętu, oprogramowania i języków programowania dla topologicznego komputera kwantowego. Na tegorocznej konferencji Ignite firma ogłosiła ostatni kamień milowy na tej drodze - nowy język programowania. Jest on przeznaczony do tworzenia współczesnych aplikacji do debugowania na symulatorach kwantowych, a w przyszłości do tworzenia aplikacji uruchamianych na rzeczywistym komputerze kwantowym. "Ten sam kod, który uruchamiasz dziś w symulacji, jutro uruchomisz na komputerze kwantowym" - tłumaczy Krysta Svore. Twierdzi ona, że nowe narzędzia zostały zaprojektowane dla tych deweloperów, którzy są zainteresowani udziałem w najnowszych postępach w dziedzinie komputeryzacji. To ten sam typ osób, który zajmował się wczesnymi implementacjami machine learningowymi i AI. Co istotne, nie trzeba być fizykiem kwantowym, aby z tych narzędzi korzystać. Nowy język programowania jest głęboko zintegrowany ze środowiskiem Visual Studio i zawiera narzędzia, z których programiści korzystają na klasycznych komputerach, takie jak debugowanie i autouzupełnianie. "Nie powinno się to zbytnio różnić od rzeczy, które już robią" - dodaje Svore.
System, o którym mowa, będzie dostępny pod koniec roku w bezpłatnej wersji preview. Zawiera on również biblioteki i tutoriale, dzięki którym łatwiej będzie wejść w świat komputerów kwantowych. System ma funkcjonować na wyższym poziomie abstrakcji, co oznacza, że programiści bez specjalistycznej wiedzy kwantowej mogą bez większych trudności rozpocząć pisanie podprogramów kwantowych czy sekwencji instrukcji. Do programu można przystąpić tutaj.
System został zaprojektowany tak, aby indywidualni użytkownicy mogli na własnym komputerze symulować problemy, które wymagają do 30 kubitów logicznych. Klienci korporacyjni mogą z kolei symulować ponad 40 kubitów mocy obliczeniowej przy użyciu Azure. W obliczeniach kwantowych moc wzrasta wykładniczo wraz z liczbą kubitów logicznych. Kubit logiczny jest kubitem na poziomie algorytmu. Na poziomie sprzętowym jest z kolei reprezentowany przez określoną liczbę kubitów fizycznych, aby umożliwić ochronę informacji logicznych. Podejście Microsoftu zakłada mniejszą liczbę topologicznych kubitów wymaganych do utworzenia jednego kubitu logicznego, co znacznie ułatwia skalowanie. Jeśli z kolei chodzi o pracę w środowisku symulacji, to jej niewątpliwą zaletą jest możliwość zorientowania się, ile mocy kwantowej potrzeba do rozwiązania różnych typów problemów.
Najzimniejsze miejsce na Ziemi
Nawet jeśli teoria dowodzi, że kubit topologiczny będzie stabilniejszy od zwykłego kwantowego bitu, to nadal będzie on delikatny, a jedynym sposobem, by chronić go przed ingerencją zewnętrzną, jest wprowadzenie go do bardzo zimnego środowiska. Zwykły wentylatorek tu nie wystarczy! Douglas Carmean, architekt z działu kwantowego Microsoft, kieruje grupą pracującą nad architekturą systemu, w której kubity działają w temperaturze o kilka kresek powyżej bezwzględnego zera, czyli około 30 milikelwinów. To jedno z najzimniejszych miejsc na ziemi, gdzie temperatura spada do poziomów niewystępujących nawet w głębokim kosmosie. System potrafi jednak przy tym komunikować się z ludźmi i innymi komputerami pracującymi w temperaturze pokojowej.
Takie rozwiązanie może funkcjonować w idealnych warunkach laboratoryjnych z jednym kubitem. Carmean chce jednak tworzyć systemy, które wykorzystywać będą co najmniej setki tysięcy kubitów logicznych: "Moja praca polega przede wszystkim na tym, by wziąć to, czego działania dowiedli teoretycy i eksperymentatorzy, a potem stworzyć tego miliony w użytecznej formie".
Czas na kolejny rozdział
Eksperci zajmujący się komputerami kwantowymi często zauważają dwie rzeczy: że jednym z najlepszych zastosowań dla kubitu topologicznego jest opracowywanie jeszcze lepszych technologii kwantowych i że jedną z największych przyjemności płynących z tego rodzaju prac jest to, że nie można przewidzieć, jak niesamowite przyniosą postępy. Prawdopodobnie wiedział o tym Mundie, który gdy przed laty poparł cele badawcze Freedmana, mógł wyobrazić sobie, że dojdzie do momentu, kiedy teoria kwantowa da podstawy dla praktycznej inżynierii.
Ponad 50 lat od momentu zapoczątkowania idei komputerów kwantowych przez Richarda Feynmana tworzą się zupełnie nowe wizje ich zastosowań. Mundie mówi na przykład o ekonomii kwantowej. Podobnie jak klasyczne komputery oparte na krzemie odmieniły praktycznie każdy aspekt życia społecznego, technologia kwantowa dokona prawdopodobnie tego samego, jednak zmieni się nieco zakres dziedzin, na które będzie oddziaływać. Oczywiście podejmowane będą problemy na gruncie chemii, medycyny, inżynierii środowiska, materiałoznawstwa czy ekonomii, ale i wielu dziedzin, które powstały na kanwie współczesnych komputerów, takich jak sztuczna inteligencja, maszynowe uczenie czy wreszcie... sama komputeryzacja kwantowa.
Rodzi to oczywiście szereg pytań o dalsze implikacje. Czy dążenia do technologicznej osobliwości nabiorą nowego charakteru, gdy komputery kwantowe będą opracowywać jeszcze lepsze komputery kwantowe? Czy może raczej zatrzymają się na granicy, która jest udziałem współczesnych maszyn krzemowych? Być może skok generacyjny w komputeryzacji to za mało, by urządzenia mogły aż w takim stopniu ulepszać się w ramach swojej własnej klasy czy nawet wychodzić naprzód. Z drugiej strony zupełnie nowe warunki działania (temperatury bliskie zera bezwzględnego otwierają w fizyce nowe możliwości), miliony razy większa moc obliczeniowa czy wreszcie znajdująca się w powijakach chmura kwantowa, mogą rzucić na to zagadnienie zupełnie nowe światło.
"Po raz pierwszy od 70 lat widzimy sposób budowy systemu komputerowego, który jest zupełnie inny" - podsumowuje Mundie - "To nie jest dostrojenie czy kumulatywne usprawnienie. Jest to jakościowo odmienna sprawa".
