Společnost NVIDIA přidala do své open-source platformy CUDA-Q nástroj CUDA-Q Logical, orchestrační vrstvu pro tvorbu aplikací běžících na kvantových počítačích odolných vůči chybám. Tento nástroj přichází se dvěma zajímavými čísly. Fermilab uvádí, že nástroj zkrátil cyklus návrhu algoritmu odolného vůči chybám z pěti měsíců na tři týdny, a Iceberg Quantum jej použil k prokázání, že hardware Diraq pro spin-qubity dokáže dosáhnout 1 000 logických qubitů se 150 000 fyzickými qubity, což je zhruba 10krát méně než předchozí odhad Diraqu. Oba výsledky jsou sice práce z řad zúčastněných laboratoří a dodavatelů, ale jedná se o první konkrétní čísla pro nástroj zaměřený na další fázi kvantových výpočtů, kde logické qubity s opravou chyb nahrazují ty surové fyzické.
Proč je kódový design úzkým hrdlem
Procesory odolné vůči chybám postavené na logických qubitech umožňují užitečné kvantové výpočty, protože překonávají chyby vlastní fyzickým qubitům a dokáží provádět rozsáhlejší výpočty, které potřebují objevování léků, finanční modelování a materiálová věda. Návrh aplikace pro jeden z těchto systémů znamená žonglování s algoritmem, kódem pro korekci chyb, hardwarovou architekturou a zbytkem QPU současně a NVIDIA říká, že změna kteréhokoli z nich může ovlivnit zdroje, které aplikace potřebuje. CUDA-Q Logical umožňuje výzkumníkům popsat všechny tyto komponenty společně a přepínat mezi možnostmi, aby našli konfiguraci, která s logickými qubity funguje nejlépe.
„Kvantové výpočty dospívají do éry logických qubitů a vědci potřebují otevřenou a přizpůsobitelnou platformu schopnou reprezentovat všechny aspekty systému odolného vůči chybám,“ řekl Timothy Costa, viceprezident a generální ředitel pro kvantové výpočty ve společnosti NVIDIA. NVIDIA mezi výrobce QPU a laboratoře, které ji již používají, uvádí Fermi National Accelerator Laboratory, Infleqtion, IQM Quantum Computers, QCDesign, Quantum Motion a Sandia National Laboratories.
Iceberg mapuje svou architekturu qLDPC na spinové qubity od Diraq
Hlavní výsledek pochází od společnosti Iceberg Quantum, která použila CUDA-Q Logical k modelování své architektury pro korekci chyb Pinnacle na křemíkovém spin-qubitovém hardwaru Diraq. Pinnacle je kvantový kód s nízkou hustotou parity-check (qLDPC), což je rodina kódů, která slibuje mnohem nižší režijní náklady než povrchový kód, ale obvykle se předpokládá, že vyžaduje složitější hardware. Diraq ve svém článku uvádí, že modelování ukázalo, že Pinnacle může na svém hardwaru běžet, aniž by od platformy vyžadoval mnohem více než přístup založený na povrchovém kódu, s nelokální konektivitou omezenou na modulární výpočetní bloky a plány přesouvání qubitů vyladěnými tak, aby přesouvání nepřispívalo k rozpočtu chyb více než fyzické brány. Počty fyzických qubitů zohledňujících hardware se pohybovaly v rozmezí 5 % od čísel v původním článku Pinnacle, a tak obě společnosti dospěly k 1 000 logickým qubitům ze 150 000 fyzických, což je číslo, které Diraq nyní uvádí ve svém dokumentu „The Case for Silicon“ a je zhruba 10krát nižší než jeho dřívější odhad. Generální ředitel společnosti Diraq Andrew Dzurak to označil za řádové zvýšení projektovaného logického výkonu každého zařízení.
Fermilab zkracuje dobu vývoje z pěti měsíců na tři týdny
Fermilab v rané fázi práce použil CUDA-Q Logical k ověření předchozích výsledků a vyhodnocení požadavků na fyzické qubity, doby běhu a dalších zdrojů napříč různými přístupy k opravě chyb a hardwarem. Laboratoř uvádí, že se díky tomu návrh systémů odolných vůči chybám stal opakovatelným a ověřitelným výpočetním pracovním postupem a vývoj algoritmů se zkrátil z pěti měsíců na tři týdny, což představuje 7násobné zrychlení. „Pomocí CUDA-Q Logical náš tým prozkoumal kombinace těchto zdrojů za pouhé tři týdny, ve srovnání s tím, co by obvykle trvalo asi pět měsíců budování specializované infrastruktury,“ uvedla Anna Grassellino, technologická ředitelka Fermilabu a ředitelka Centra pro supravodivé kvantové materiály a systémy.
Sandiin benchmark QUOPS se dodává v CUDA-Q
Spolu s orchestrační vrstvou dodává NVIDIA referenční implementaci QUOPS, multiplatformního, hardwarově nezávislého benchmarku od Sandia National Laboratories, který měří pokrok směrem ke kvantovým počítačům odolným vůči chybám v užitkovém měřítku. Tato oblast se dosud sledovala převážně prostřednictvím fyzických metrik qubitů, jako je počet qubitů, věrnost hradla a koherenční čas; QUOPS má hodnotit, jak blízko je systém k provádění užitečných úloh. Sandia zveřejnila před IEEE Quantum Week preprint s prvními výsledky QUOPS pro QPU od společností Google, IBM a Quantinuum. „Vytvořili jsme QUOPS přesně proto, abychom to dokázali, a jsme nadšeni, že ho uvidíme u dodavatelů a zákazníků kvantových počítačů,“ řekl Timothy Proctor, spoluředitel Laboratoře kvantového výkonu společnosti Sandia, s odkazem na potřebu sledovat a předpovídat růst schopností kvantových počítačů.
Zbytek kvantově-GPU stacku
Stejné oznámení završuje přijetí v celé řadě kvantových produktů NVIDIA. Diraq použila technologii NVIDIA Ising, kterou NVIDIA označuje za první rodinu otevřených modelů pro vytváření a nasazení umělé inteligence pro užitečné kvantové výpočty, ke kalibraci svého křemíkového qubitového procesoru. Společnosti Anyon Computing, Quandela a Quantum Machines postavily NVQLink, otevřenou architekturu NVIDIA pro propojení QPU s GPU superpočítači, přičemž Quantum Machines provedla integrační demo v izraelském centru kvantových výpočtů. IonQ oznámila pokrok na DQAOA-GPT, což je framework kvantové generativní umělé inteligence; MITRE publikovala práci o GPU akcelerovaných digitálních dvojčatech kvantových senzorů; Phasecraft používá cuQuantum k vytvoření toho, co popisuje jako největší emulovanou molekulární databázi generovanou variačním kvantovým řešičem vlastních čísel, a UCLA a Caltech pracují na řídicích sekvencích potřebných pro spuštění kvantových aplikací.
Načasování staví softwarovou vrstvu NVIDIA do stejné konverzace jako hardwarové plány, které jsme sledovali, včetně cesty IBM k stroji odolnému proti chybám v roce 2029 a 120qubitového Nighthawku r2 mířícího do CSCS . CUDA-Q Logical je nyní k dispozici na GitHubu a referenční implementace QUOPS je dodávána v CUDA-Q, přičemž benchmarkový repozitář Sandie je publikován samostatně.
Amazon