CUDA-Q Logical má propojit návrh algoritmů, korekce chyb i kvantového hardwaru

NVIDIA na IEEE Quantum Week v Torontu představila CUDA-Q Logical — novou open-source orchestrční vrstvu pro návrh fault-tolerantních kvantových systémů. Rozšiřuje platformu CUDA-Q o nástroje pro programování a ověřování takzvané logické vrstvy: tedy části systému, která z mnoha fyzických qubitů pomocí korekce chyb vytváří spolehlivější logické qubity. 19

Nejde o oznámení, že problém odolného kvantového počítání je vyřešen. Smyslem novinky je dát výzkumníkům společný rámec, v němž mohou zkoumat, zda konkrétní kombinace algoritmu, korekce chyb, hardwarové architektury a klasického řízení dává jako celek smysl.

Proč nestačí optimalizovat jednotlivé vrstvy zvlášť

Užitečný fault-tolerantní kvantový počítač nelze navrhovat tak, že se nezávisle vybere algoritmus, kód pro kvantovou korekci chyb (QEC) a technologie qubitů. Volby se vzájemně ovlivňují: použitý kód mění počet potřebných fyzických qubitů, konektivita hardwaru ovlivňuje kompilaci operací a způsob řízení i dekódování chyb může změnit výslednou dobu běhu.

CUDA-Q Logical má tyto kompromisy zpřístupnit pro systematické testování. Přidává jazykové nástroje pro vyjádření a skládání QEC mechanismů a pro odhad zdrojů potřebných v různých architekturách. Týmy tak mohou měnit konfigurace, porovnávat výsledky a návrh ověřovat dříve, než se zavážou k určité implementaci. 24

Základní CUDA-Q je hybridní kvantově-klasická platforma, která v jednom systému propojuje kvantové procesory (QPU), grafické procesory GPU a procesory CPU. 18

Co má nová vrstva umožnit

Podle NVIDIA se CUDA-Q Logical soustředí na programovatelný a ověřitelný vývoj aplikací pro fault-tolerantní stroje. Klíčovým objektem jsou logické qubity — chybově korigované qubity složené z většího počtu fyzických qubitů, které budou pro dlouhé a spolehlivé kvantové výpočty pravděpodobně nezbytné. 19

V praxi lze s vrstvou například:

• popsat fault-tolerantní algoritmus a jeho QEC operace;
• vyhodnocovat různé QEC kódy a postupy kompilace;
• modelovat varianty hardwaru a architektury QPU;
• odhadovat zdroje nutné pro cílový počet logických qubitů;
• srovnávat výkonové a zdrojové kompromisy celého systému před volbou konkrétního řešení. 124

Příklady oznámené při uvedení

Uvedené výsledky popisují konkrétní workflow, modely či integrace. Nejsou proto univerzálním měřítkem současné schopnosti fault-tolerantních kvantových počítačů.

Fermilab: návrhový cyklus z měsíců na týdny

Fermilab použil CUDA-Q Logical pro opakovatelný a ověřitelný workflow při vývoji fault-tolerantní architektury. NVIDIA uvádí zkrácení vývojové doby přibližně z pěti měsíců na tři týdny, tedy asi sedminásobné zrychlení. 1

Iceberg Quantum a Diraq: model 1 000 logických qubitů

Iceberg Quantum a Diraq modelovaly architekturu, jejímž cílem je vytvořit 1 000 logických qubitů z přibližně 150 000 fyzických křemíkových qubitů Diraq. Jde o architektonický model a validační postup, nikoli o tvrzení, že na daném hardwaru už 1 000 logických qubitů funguje. 121

Infleqtion: qLDPC korekce chyb

Infleqtion integroval svou open-source knihovnu qLDPC s CUDA-Q Logical pro výzkum QEC. Firma uvedla, že vytvořila a ověřila kód využívající zhruba šest fyzických datových qubitů na jeden logický qubit. Podle společnosti by to za daných předpokladů mohlo znamenat až pětkrát méně fyzických datových qubitů než u převládajících přístupů se surface code. Nejde však o obecně platný požadavek pro všechny fault-tolerantní systémy. 192031

Qedma a Quantinuum: zmírňování chyb

Qedma integrovala technologii QESEM pro zmírňování chyb do CUDA-Q pro workflow mířící na systémy Quantinuum. Zmírňování chyb není totéž co fault-tolerantní korekce chyb, integrace ale ukazuje roli CUDA-Q jako vrstvy, která spojuje softwarové komponenty s konkrétními hardwarovými workflow. 26

Quantum Machines: řízení v reálném čase

Quantum Machines integrovala schopnost NVIDIA cudaq-realtime se svou Open Acceleration Stack. NVIDIA uvádí, že API podporuje zpětná volání mezi GPU a kvantovými řadiči s latencí v řádu mikrosekund, což umožňuje těsně propojit práci živých qubitů, GPU a CPU. 30

Sandia: srovnávací test připravenosti

Sandia National Laboratories zpřístupnily v CUDA-Q nástroj QUOPS. NVIDIA jej popisuje jako benchmark pro hodnocení připravenosti fault-tolerantního kvantového hardwaru na praktické aplikace. Má umožnit porovnávání napříč platformami, nikoli posuzovat hardware jedinou metrikou konkrétního dodavatele. 122

Proč je to důležité

Hodnota CUDA-Q Logical nespočívá v tom, že by prohlásila fault-tolerantní kvantové počítání za hotové. Důležitá je jako společná, rozšiřitelná vrstva pro průzkum komplikovaného prostoru mezi aplikací a fyzickým strojem.

Pro týmy vyvíjející systémy s logickými qubity není zásadní pouze otázka, která technologie qubitů je nejlepší. Podstatné je, zda celá kombinace algoritmu, QEC kódu, kompilátoru, architektury, řídicí vrstvy a klasické akcelerace dosáhne přijatelných nároků na zdroje a výkon. CUDA-Q Logical má tento celek pomoci modelovat, porovnávat a ověřovat. 124

Dostupnost

CUDA-Q Logical je součástí open-source projektu CUDA-Q na GitHubu. NVIDIA pro instalaci CUDA-Q v Pythonu uvádí příkaz:

pip install cudaq

Poznámky k vydání označují CUDA-Q Logical za otevřenou a rozšiřitelnou logickou vrstvu pro fault-tolerantní kvantové počítání. 182437