Когда Майкл Фридман присоединился к теоретической исследовательской группе Microsoft два десятилетия назад, он был известным математическим гением, известным своими фундаментальными исследованиями в неясной области математики, называемой топологией.
Его работа, которую он вообще не считал реальной работой, заключалась в том, чтобы просто продолжать заниматься математикой, без каких-либо ограничений.
Эта широкая хартия закончилась тем, что Microsoft поставила путь к построению первого топологического кубита - надежного типа квантового бита, который, по мнению Microsoft, послужит основой для масштабируемой квантовой компьютерной системы общего назначения - и отметит глубокий прорыв в этой области квантовой физики.
"Мы видим потенциальную основу для новой революционной технологии", - сказал Тодд Холмдал, вице-президент Microsoft, отвечающий за квантовое усилие. "Знаешь, я получаю мурашки по коже".
В понедельник на конференции Microsoft Ignite компания продемонстрировала прогресс, достигнутый ею в разработке как топологического кубита, так и экосистемы аппаратного и программного обеспечения, что в конечном итоге позволит широкому кругу разработчиков использовать преимущества квантовых вычислений.
Этот прогресс включает в себя новый язык программирования, который глубоко интегрирован с Visual Studio и предназначен для работы как с квантовым симулятором, так и с квантовым компьютером.
План Microsoft по созданию экосистемы квантовых вычислений основан на области математики Фридмана и отрасли физики, которая, казалось бы, мистична, ее ранние пионеры ссылались на философию и духовность, чтобы описать ее, а ее более поздние ученики привлекали финансирование и поддержку гуру самопомощи в 1970-х годах , Даже сегодня эксперты используют термины типа "волшебное состояние" для описания некоторых элементов теории и практики квантовых вычислений. Хотя это вызывает мистические сравнения, эксперты полагают, что квантовые вычисления будут иметь бесчисленные практические преимущества. Это потому, что это позволит ученым делать вычисления в считанные минуты или часы, которые занимают всю жизнь Вселенной даже на самых современных классических компьютерах, которые мы используем сегодня. Это, в свою очередь, будет означать, что люди могут найти ответы на научные вопросы, которые ранее считались неопровержимыми. Исследователи говорят, что в конечном итоге квантовые вычисления могут быть использованы для решения самых сложных проблем мира, от голода в мире до опасных последствий изменения климата. "Квантовый компьютер способен моделировать природу", - говорит Криста Своре, возглавляющая разработку программного обеспечения Microsoft, предназначенного для работы на квантовых компьютерах, а также квантовые тренажеры, которые позволяют развивать развитие даже при создании первых машин. "С классическими компьютерами мы не можем действительно понять эти процессы". Эксперты считают, что в одном из своих ранних применений топологический квантовый компьютер поможет исследователям искусственного интеллекта ускорить трудоемкий процесс обучения алгоритмов с использованием машинного обучения. Крейг Мунди (Craig Mundie), который, будучи одним из первых исследователей и директором Microsoft, впервые поддержал попытку Фридмана в области квантовых вычислений десять лет назад, отметил, что если квантовый компьютер может гипотетически обработать алгоритм обучения для цифрового помощника Cortana за день, а не месяц, это будет отмечают глубокое улучшение прогресса AI. "Даже если бы все остальное было таким же, Кортана улучшилась бы в 30 раз быстрее", - сказал Мунди, который продолжает активно участвовать в проекте. Для Фридмана, чтобы увидеть всю жизнь в теоретической математике, превращение в реальную вычислительную платформу, которая могла бы решать ранее неразрешимые проблемы, "очень интенсивна". Проведя большую часть своей карьеры, изучая теоретическую математику без каких-либо привязок, возможно, иронично, что узлы - или , точнее теория топологического узла - это часть того, что привело его к тому, что он ласково называет первой настоящей работой в своей жизни, создавая топологический кубит. Фридман говорит, что он мало что думает о потенциально изменяющих жизнь эффектах своей работы. "Меня спрашивали о приложениях квантовых вычислений - вы знаете, что меня мотивирует? Хочу ли я лечить болезнь, разрабатывать новые материалы, защищать окружающую среду? ", - сказал он. "Правда в том, что это ничто из этого. На данный момент в проекте, единственное, что меня волнует, - это заставить квантовый компьютер работать ". От теоретической и практической У Microsoft даже был сопутствующий исследовательский проект, посвященный криптографии и безопасности в постквантовом мире, и участвовал в отраслевых усилиях по подготовке квантово-устойчивых криптографических алгоритмов. Центральным элементом усилий Microsoft является топологический кубит. Десять лет назад, когда Фридман пришел в Мэнди, ища поддержку своей идеи квантовых вычислений, Манди сказал, что квантовые вычисления были немного депрессией. Хотя физики говорили о возможности создания квантовых компьютеров в течение многих лет, они изо всех сил пытались создать рабочий кубит с достаточно высокой точностью, чтобы быть полезными при создании рабочего компьютера. Для исследователей, использующих физические кубиты с минимальной степенью точности, требуется примерно 10 000 из них сделать один "логический" кубит - который является кубитом, достаточно надежным для любого действительно полезного вычисления. Проблема в том, что кубиты чрезвычайно сложны. Если вы нарушаете их даже самым маленьким способом, они "развязываются", что в условиях неспециалиста означает, что они перестают находиться в физическом состоянии, где их можно использовать для вычисления. Фридман изучал идею о том, что топологические кубиты будут более надежными, потому что их топологические свойства сделают их более стабильными и обеспечит более врожденную защиту от ошибок. Это потому, что по определению топологическим состоянием материи является то, что электрон может быть фракционирован и представлен в разных местах внутри системы. Как только электрон разделен, его трудно нарушить, потому что вы должны изменить все места, в которых хранится информация. Будучи давним суперкомпьютером-дизайнером и инженером-программистом, Мэнди сказал, что он мгновенно продается по идее квантового бита, который был более надежным и обладал встроенной отказоустойчивостью. Это сделало бы задачу разработки масштабируемой, полезной машины, значительно более управляемой. "Вычисление себя уже трансформировало каждый сектор общества и экономики", - сказал он. "Я понял, что если бы вы могли создать новый класс вычислений, который мог бы изменить эти фундаментальные строительные блоки, вы могли бы снова сделать то, что сделали за последние 50 или 60 лет". Полный стоп Чтобы создать инфраструктуру для полной вычислительной платформы, Microsoft одновременно работала над созданием аппаратных, программных и языков программирования для топологических квантовых вычислений. В Ignite в понедельник Microsoft анонсировала последнюю веху в своих усилиях по созданию полного стека: новый язык программирования, который предназначен для разработчиков, чтобы создавать приложения для отладки на квантовых симуляторах сегодня и работать на реальном топологическом квантовом компьютере в будущем. "Тот же код, который вы используете сегодня в симуляции, вы можете запустить завтра на нашем квантовом компьютере, - сказал Своре. Svore сказал, что новые инструменты предназначены для разработчиков, которые заинтересованы в том, чтобы быть на передовых компьютерных достижениях - такого же типа людей, которые были ранними пользователями машинного обучения и других достижений искусственного интеллекта. Вам не обязательно быть квантовым физиком, чтобы использовать их. Новый язык программирования глубоко интегрирован в Visual Studio и включает в себя инструменты, которые разработчики используют для классических вычислений, таких как отладка и автоматическое завершение. "Это не должно сильно отличаться от того, что они уже делают, - сказал Своре. Система, которая будет доступна в виде бесплатного предварительного просмотра к концу года, также включает в себя библиотеки и учебные пособия, чтобы разработчики могли ознакомиться с квантовыми вычислениями. Он предназначен для работы на более высоком уровне абстракции, так что разработчики без квантовой экспертизы могут фактически называть квантовые подпрограммы или писать последовательности инструкций программирования, работая над написанием полной квантовой программы. Разработчики могут зарегистрироваться для участия сегодня. Система разработана таким образом, что отдельные пользователи могут моделировать проблемы, требующие до 30 логических кубитов мощности на своих персональных компьютерах, а выбор корпоративных клиентов с использованием Azure может имитировать более 40 кубитов вычислительной мощности. В квантовых вычислениях мощность растет экспоненциально с количеством логических кубитов. Логическим кубитом является кубит на уровне алгоритма. На этом аппаратном уровне каждый логический кубит представлен на аппаратных средствах несколькими физическими кубитами для обеспечения защиты логической информации. Подход Microsoft требует меньше топологических кубитов для разработки одного логического кубита, что значительно упрощает его масштабирование. Svore сказал, что одним из ключевых преимуществ наличия языка программирования, который работает в среде моделирования, является то, что он поможет людям, заинтересованным в использовании квантовых компьютеров для решения проблем, лучше понять, как использовать квантовую энергию для различных проблем. Это ускорит их способность использовать квантовые вычисления, когда они будут доступны. Самое холодное место на земле. Дуглас Кармиан, архитектор отдела квантовых вычислений Microsoft, возглавляет группу, которая работает над системной архитектурой, в которой кубиты работают только над волосами выше абсолютного нуля, или 30 милликельвин - самым холодным местом на земле, холоднее, чем глубоким пространством, при этом все еще в состоянии общаться с людьми и другими компьютерами, работающими при комнатной температуре. Это то, что исследователь может попытаться сделать в идеальной лабораторной обстановке с одним кубитом. Но Кармиан хочет создать системы, которые программисты могут в конечном счете использовать для вычисления на сотнях тысяч логических кубитов или больше. "Моя работа заключается в том, чтобы взять что-то, что теоретики и экспериментаторы показали один раз, а затем создают миллионы из них в форм-факторе, который полезен", - сказал он. Конец начала долгого путешествия Когда Манди впервые поддержал исследовательские усилия Фридмана десяток лет назад, это было связано с тем, что он мог догадаться, дойдя до этого момента, когда квантовая теория приведет к разработке. Спустя более 50 лет после того, как Ричард Фейнман впервые выступил с идеей квантовых вычислений, Мунди теперь смотрит вперед на квантовую экономику, и он считает, что этот новый тип вычислений будет создан. Подобно тому, как классические вычисления изменили практически все аспекты общества, он считает, что квантовые вычисления в конечном итоге помогут подпитывать революционные изменения практически во всем, начиная с химии, материалов и машинного обучения. "Впервые за 70 лет мы смотрим на способ создания вычислительной системы, которая просто совершенно другая", - сказал он. "Это не постепенная настройка или улучшение. Это качественно другая вещь.
части задачи Фридмана заключается в том, что Microsoft не просто интересуется созданием квантового компьютера, который он может показать в лаборатории где-то. Вместо этого компания приступает к реализации плана по созданию полноценной топологической квантовой вычислительной системы. Это включает в себя все, от аппаратного обеспечения, способного последовательно выполнять вычисления, требующие десятков тысяч логических кубитов, в полный стек программного обеспечения, который может программировать и контролировать квантовый компьютер. 
"Мы делаем все, - сказал Холмдал, - от физики до плоскости управления до программного обеспечения, которое запускает компьютер, к алгоритмам, которые вам нужны, чтобы делать интересные вещи, такие как квантовая химия, приложениям для персонализированной медицины или помощи в климате изменение."
С поддержкой Мунди, Фридман создал лабораторию в Санта-Барбаре, штат Калифорния, и начал привлекать к работе над построением топологического кубита некоторых из выдающихся ученых-экономистов и физиков-физиков-матерей, ученых-матерей и компьютерных ученых мира. В настоящее время эта команда может похвастаться многими ведущими квантовыми экспертами, которые присоединились к Microsoft в качестве сотрудников в прошлом году, в том числе Лео Коувенховен, Чарльз Маркус, Дэвид Рейли и Маттиас Тройер.
Хотя ожидается, что топологический кубит будет более надежным, чем обычный кубит, он все еще довольно хрупкий. Единственный способ защитить его от внешних помех, которые могут вызвать его разрушение, - это создать и управлять им в действительно холодном месте.
Специалисты по квантовым вычислениям часто замечают две вещи: одно из лучших применений, которое они видят для топологического кубита, - это разработка лучших технологий квантовых вычислений и что одно из величайших удовольствий такого рода работы заключается в том, что вы не можете предсказать, какие невероятные успехи он принесет.