CUDA-Q Logical: طبقة مفتوحة لتصميم الأنظمة الكمّية المتحمّلة للأخطاء

أعلنت إنفيديا خلال IEEE Quantum Week في تورونتو عن CUDA-Q Logical، وهي طبقة تنسيق مفتوحة المصدر تُضاف إلى منصة CUDA-Q. هدفها هو جعل تطوير تطبيقات الحوسبة الكمّية المتحمّلة للأخطاء قابلاً للبرمجة والتحقق، مع التركيز على ما يُعرف بـ«الكيوبتات المنطقية»؛ أي الكيوبتات التي تُبنى من عدد من الكيوبتات الفيزيائية وتُحمى بتصحيح الأخطاء الكمّي. 19

لماذا يحتاج التصميم المتحمّل للأخطاء إلى «تصميم مشترك»؟

لا يمكن اختيار خوارزمية كمّية أو كود لتصحيح الأخطاء الكمّية (QEC) أو تقنية الكيوبتات الفيزيائية بمعزل عن العناصر الأخرى. فاختيار كود التصحيح يغيّر عدد الكيوبتات الفيزيائية المطلوبة، وتؤثر بنية الاتصال في العتاد على كيفية ترجمة العمليات الكمّية، كما قد تؤثر آليات التحكم وفك الترميز في زمن التنفيذ.

تستهدف CUDA-Q Logical اختبار هذه المقايضات ضمن نموذج واحد. فهي تضيف أدوات لغوية للتعبير عن مكوّنات تصحيح الأخطاء الكمّية وتركيبها، ثم تقدير الموارد اللازمة لتشغيلها عبر هياكل أنظمة مختلفة. وبهذا يمكن للفرق تبديل التكوينات ومقارنة النتائج والتحقق من الافتراضات قبل الالتزام بتصميم عتادي أو برمجي محدد. 24

أما CUDA-Q نفسها فهي منصة هجينة تربط برمجة وحدات المعالجة الكمّية (QPU) بوحدات معالجة الرسوميات (GPU) والمعالجات المركزية (CPU) ضمن نظام واحد. 18

ما الذي تتيحه الطبقة الجديدة؟

تصف إنفيديا CUDA-Q Logical بأنها طبقة مفتوحة وقابلة للبرمجة والتحقق لتطوير تطبيقات متحمّلة للأخطاء. عملياً، يمكن أن يشمل سير العمل ما يأتي:

• صياغة خوارزمية متحمّلة للأخطاء وعمليات تصحيح الأخطاء المرتبطة بها؛
• اختبار أكواد QEC وأساليب الترجمة البرمجية المختلفة؛
• نمذجة خيارات هندسة العتاد وبنية المعالج الكمّي؛
• تقدير موارد هدف معين من الكيوبتات المنطقية؛
• مقارنة مفاضلات الأداء والموارد على مستوى النظام قبل التنفيذ الفعلي. 124

ولا تعني هذه الأدوات أن مشكلة العتاد الكمّي قد حُلّت؛ بل توفر طبقة مشتركة تجعل افتراضات التصميم واضحة وقابلة للاختبار مقابل بدائل متعددة.

نتائج وتكاملات أُعلن عنها

النتائج التالية تخص سير عمل أو نماذج أو تكاملات بعينها، ولا تمثل مقياساً موحداً لقدرات الحوسبة الكمّية المتحمّلة للأخطاء.

فيرمي لاب: تسريع تقييم التصميم

استخدم مختبر فيرمي الوطني المسرّع (Fermilab) CUDA-Q Logical في سير عمل قابل للتكرار والتحقق لتطوير بنية متحمّلة للأخطاء. ووفقاً لإنفيديا، انخفضت مدة التطوير من نحو خمسة أشهر إلى ثلاثة أسابيع، بما يعادل تسريعاً يقارب 7 مرات. 1

Iceberg Quantum وDiraq: نمذجة موارد الكيوبتات المنطقية

نمذجت شركتا Iceberg Quantum وDiraq بنية تستهدف إنتاج 1,000 كيوبت منطقي انطلاقاً من نحو 150,000 كيوبت فيزيائي من السيليكون لدى Diraq. وهذه النتيجة تخص نموذجاً معمارياً وسير تحقق، وليست إعلاناً عن تشغيل 1,000 كيوبت منطقي حالياً على هذا العتاد. 121

Infleqtion: تصحيح أخطاء qLDPC

دمجت Infleqtion مكتبتها المفتوحة المصدر qLDPC مع CUDA-Q Logical لأبحاث تصحيح الأخطاء الكمّية. وقالت الشركة إنها أنشأت وتحققت من كود يستخدم قرابة ستة كيوبتات بيانات فيزيائية لكل كيوبت منطقي، مع احتمال استخدام عدد أقل بما يصل إلى خمس مرات مقارنةً بنهج أكواد السطح السائد. لكن المقارنة مرتبطة بالنهج والافتراضات المعلنة، وليست قاعدة عامة لجميع الأنظمة المتحمّلة للأخطاء. 192031

Qedma: تخفيف الأخطاء لأنظمة Quantinuum

دمجت Qedma تقنية QESEM لتخفيف الأخطاء في CUDA-Q لسير عمل يستهدف أنظمة Quantinuum. وتخفيف الأخطاء يختلف عن تصحيح الأخطاء المتحمّل للأعطال، إلا أن التكامل يوضح دور CUDA-Q كحلقة وصل بين مكوّنات البرمجيات الكمّية ومسارات عتاد محددة. 26

Quantum Machines: تحكم كمّي–تقليدي بزمن منخفض

دمجت Quantum Machines قدرة cudaq-realtime من إنفيديا مع Open Acceleration Stack. وتقول إنفيديا إن واجهة البرمجة هذه تدعم استدعاءات متبادلة بزمن تأخير على مستوى الميكروثانية بين وحدات GPU ووحدات التحكم الكمّية، ما يتيح عملاً مترابطاً بين الكيوبتات الحية ووحدات GPU وCPU. 30

Sandia: معيار لقياس الجاهزية

أتاحت مختبرات سانديا الوطنية معيار QUOPS عبر CUDA-Q. وتصفه إنفيديا بأنه معيار لتقييم مدى جاهزية عتاد الحوسبة الكمّية المتحمّل للأخطاء للتطبيقات العملية، ويستهدف المقارنة عبر المنصات بدلاً من تقييم العتاد بمقياس خاص بمورّد واحد. 122

لماذا يهم هذا الإعلان؟

لا تكمن أهمية CUDA-Q Logical في الادعاء بأن الحوسبة الكمّية المتحمّلة للأخطاء أصبحت مشكلة محلولة، بل في توفير طبقة قابلة للتوسعة لاستكشاف المساحة المعقدة بين التطبيق والآلة الفيزيائية.

السؤال المحوري للفرق التي تطور أنظمة كيوبتات منطقية ليس فقط: «ما أفضل تقنية للكيوبت؟»، بل هل تستطيع تركيبة كاملة من الخوارزمية وكود التصحيح والمترجم البرمجي والبنية المعمارية ومنظومة التحكم والتسريع التقليدي تحقيق هدف مقبول للموارد والأداء؟ تستهدف CUDA-Q Logical جعل هذا السؤال أسهل في النمذجة والمقارنة والتحقق. 124

التوفر

تتوفر CUDA-Q Logical ضمن مشروع CUDA-Q المفتوح المصدر على GitHub. وتعرض صفحة مطوري إنفيديا أيضاً أمر تثبيت CUDA-Q لبايثون:

pip install cudaq

وتصف ملاحظات إصدار GitHub CUDA-Q Logical بأنها طبقة منطقية مفتوحة وقابلة للتوسعة للحوسبة الكمّية المتحمّلة للأخطاء. 182437