Microsoft Azure Quantum

**Microsoft Azure Quantum** on Microsoftin kehittämä julkinen pilvipohjainen kvanttilaskenta -alusta, joka tarjoaa kvanttilaitteistoja, ohjelmistoja ja ratkaisuja kehittäjille kvanttisovellusten rakentamiseen. Se tukee erilaisia kvanttilaitteistoarkkitehtuureja yhteistyökumppaneilta kuten Quantinuum, IonQ ja Atom Computing. Microsoft on kehittänyt Q# -kvanttiohjelmointikielen suorittaakseen sovelluksia pilvialustalla.

Azure Quantum sisältää tieteellisen tutkimuksen alustan, **Azure Quantum Elements**, joka käyttää tekoälyä, suurteholaskentaa ja kvanttiprosessoreja suorittaakseen molekyylisimulaatioita ja laskelmia laskennallisen kemian ja materiaalitieteen aloilla.

Azure Quantum julkistettiin ensimmäisen kerran Microsoft Ignite -tapahtumassa vuonna 2019.  Alusta avattiin julkiseen esikäytön tilaan vuonna 2021. Azure Quantum Elements julkaistiin vuonna 2023.

## Laitteisto
Microsoft kehittää topologista kvanttitietokonetta, jonka kubitit tuottavat luonnostaan vähemmän virheitä. Lähestymistapa perustuu Majoranan kvasihiukkasiin (enkelihiukkanen), jotka toimivat omina antihiukkasina ja jotka eivät omaa varausta tai energiaa, tämä tekee kubiteista paremmin häiriöitä vastustavia.

Syyskuussa 2023 Azure Quantumin tutkijat löysivät todisteita, jotka ovat Majorana-kvasi­hiukkasten luomisen ja hallinnan kanssa yhdenmukaisia topologisessa kvanttilaskennassa.

Marraskuussa 2024 kubittien virtualisointijärjestelmä loi 24 lomittunutta loogista kubittia, uuden ennätyksen, neutraaliatomiprosessorilla. Kyseinen työ osoitti kyvyn havaita sekä korjata virheitä laskentojen aikana, mukaan lukien ensimmäinen dokumentoitu esimerkki virheen korjauksesta kaupallisessa Atom Computingin neutraaliatomijärjestelmässä. 

Microsoft on myös esitellyt kvanttilaskennan kolme toteutustasoa: perustaso (kohinaiset keskikokoiset kubitit), kestävä taso (luotettavat loogiset kubitit) ja skaalaustaso (kvanttisuper­tietokoneet).

Vuonna 2024 Microsoft sovelsi kubittien virtualisointijärjestelmää Quantinuumin loukkuun asetettujen ionien kvanttitietokoneessa (Trapped-ion quantum computer) luodakseen 12 loogista kubittia, jotka olivat siihen aikaan luotettavimmat dokumentoidut loogiset kubitit. Työ perustui aiempaan havainnollistamiseen, jossa saavutettiin virheaste, joka oli 800 kertaa parempi kuin saman kvanttitietokoneen suorituskyky ilman virtualisointia.

Microsoft ja Photonic suorittivat teleportoidun CNOT-portin kubittien välillä, jotka olivat fyysisesti 40 metrin päässä toisistaan. Työ vahvisti kvanttilomittumisen T-keskusten välillä. Havainto on edellytys pitkän matkan kvanttiviestinnälle.

## Ohjelmisto
Azure Quantum kehitti kvanttisovelluksia varten Q#:n (Q Sharp), kvanttiohjelmointikielen, sekä avoimen lähdekoodin ohjelmistokehityspaketin kvanttialgoritmien kehittämiseen ja simulointiin.

Azure Quantum Resource Estimator arvioi resurssit, jotka tarvitaan tietyn kvanttialgoritmin suorittamiseen virheensietokykyisessä kvanttitietokoneessa.

Vuonna 2023 Azure Quantum Elements lisäsi Microsoft Copilotin, GPT-4-pohjaisen laajan kielimallityökalun, joka mahdollistaa tiedon etsimisen ja visualisoinnin, koodin kirjoittamisen ja simulaatioiden suorittamisen.

Samana vuonna Microsoft kehitti LLVM:stä Quantum Intermediate Representationin (QIR, välikielien), joka toimii yleisenä rajapintana  ohjelmointikielten ja kohdekvanttiprosessorien välillä.

Microsoft on myös kehittänyt algoritmeja porttien tehokkaaseen hydyntämiseen (gate-efficient algorithmic), näm ovat menetelmiä nopeampien Trotter-askeleiden suorittamiseen pienemmällä porttien monimutkaisuudella. Menetelmä mahdollistaa tehokkaat kvanttisimulaatiot, jotka vähentävät tarvittavien laitteistoresurssien määrää.

## Azure Quantum Elements -alusta
Azure Quantum Elements -alusta yhdistää tekoälyn ja perinteisen suurteholaskennan kvanttityökaluihin, jotka on suunnattu materiaalitieteeseen, kemiaan ja lääketutkimukseen. Alusta hyödyntää fysiikkaan perustuvia tekoälymalleja ja edistyneitä algoritmeja monimutkaisen tutkimustietojen käsittelyyn ja johtopäätösten luomiseen.

Tammikuussa 2024 Microsoft ja Pacific Northwest National Laboratory käyttivät tekoälyä ja suurteholaskentaa mallintaakseen ja seulatakseen 32 miljoonaa uutta materiaaliehdokasta kehittääkseen tehokkaamman ladattavan akkumateriaalin. Yhteistyöprojektissa etsittiin materiaaliehdokasta korvaamaan akuissa käytettyä litiumionia (litiumioniakku). Projektissa luotiin uusia materiaaliehdokkaita, ja niiden joukossa suoritettiin hyperkiihdytetty haku yhden sopivan kandidaatin löytämiseksi.

Heinäkuussa 2024 Microsoft julkaisi Generative Chemistry -työkalun Azure Quantum Elements -alustalle. Generatiiviseen tekoälyyn perustuva työkalu auttaa tunnistamaan oikeat käytettävät molekyylit tiettyyn sovellukseen. Microsoft julkaisi myös Accelerated Density Functional Theory -työkalun, joka simuloi molekyylin elektronista rakennetta hyödyntämällä tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT).

Microsoft käytti myös kahta loogista kubittia, jotka oli integroitu tekoälyyn ja pilvipohjaiseen suurteholaskentaa, ratkaistakseen käytännöllisiä kemian ongelmia. Microsoftin mukaan tämä tapaustutkimus katalyyttisistä reaktioista, joissa tuotetaan kiraalisia molekyylejä, on ensimmäinen kerta, kun suurteholaskenta-järjestelmä, tekoäly ja kvanttilaskentalaitteisto on yhdistetty tietyn tieteellisen ongelman ratkaisemiseen.

Lääketieteessä Azure Quantum Elements ja suurteholaskennan alusta yhdistettiin 1910 Geneticsin laskennalliseen ja tavanomaisen kokeelliseen laboratoriotietoon, robotiikan mahdollistamaan laboratorioautomaation sekä multimodaalisiin tekoälymalleihin uusien lääkeaineiden löytämiseksi.

## Viitteet