NVIDIA føjer CUDA-Q Logical til kvanteplatformen

NVIDIA har udvidet sin open source-platform CUDA-Q med CUDA-Q Logical, et orkestreringslag til udvikling af fejl­tolerante kvantecomputere. Lanceringen fandt sted på IEEE Quantum Week i Toronto og skal give forskere en programmerbar og verificerbar måde at afprøve hele systemet samlet – ikke blot enkelte dele af det. 19

Det centrale er de såkaldte logiske qubits: fejlkorrigerede qubits, der bygges af mange fysiske qubits for at kunne gennemføre lange og pålidelige kvanteberegninger. CUDA-Q Logical er tænkt som et fælles softwarelag til at undersøge, hvilke kombinationer af algoritmer, fejlkorrektionskoder, kompilering og hardware der faktisk hænger sammen.

Fra enkeltkomponenter til samlet systemdesign

En fejl­tolerant kvantecomputer kan ikke designes ved at vælge algoritme, fejlkorrigeringskode og qubitteknologi hver for sig. Valgene påvirker hinanden: En bestemt kode ændrer behovet for fysiske qubits, hardwareforbindelser påvirker kompileringen, og styring samt afkodning kan få betydning for den praktiske køretid.

CUDA-Q Logical skal gøre disse afvejninger målbare tidligere i udviklingsforløbet. Det logiske lag tilføjer sprogværktøjer til at beskrive og sammensætte byggesten til kvantefejlkorrektion (QEC) og vurdere de ressourcer, de kræver på forskellige systemarkitekturer. Dermed kan teams udskifte konfigurationer, sammenligne resultater og validere et design, før de binder sig til en bestemt implementering. 24

CUDA-Q er i forvejen en hybrid platform, der samler programmering af kvanteprocessorer (QPU'er), GPU'er og CPU'er i ét system. 18

Hvad det nye lag skal kunne

Ifølge NVIDIA kan forskere blandt andet bruge CUDA-Q Logical til at:

• formulere fejl­tolerante algoritmer og tilhørende QEC-operationer
• afprøve forskellige QEC-koder og kompileringsmetoder
• modellere valg af QPU- og hardwarearkitektur
• anslå ressourcebehovet for et mål i logiske qubits
• sammenligne ydelses- og ressourceafvejninger på systemniveau. 124

Det fjerner ikke den grundlæggende hardwareudfordring ved kvantecomputere. Formålet er snarere at gøre antagelserne i designet tydelige og testbare mod alternativer.

Eksempler fra laboratorier og virksomheder

De resultater, der ledsagede lanceringen, dækker konkrete modeller, integrationer og arbejdsgange. De er derfor ikke et samlet mål for, hvor langt fejl­tolerant kvantecomputing som helhed er nået.

Fermilab: fra fem måneder til tre uger

Fermilab anvendte CUDA-Q Logical i en gentagelig og verificerbar arbejdsgang til udvikling af fejl­tolerant arkitektur. NVIDIA oplyser, at det reducerede udviklingstiden fra omkring fem måneder til tre uger – omtrent en syvdobling af hastigheden. 1

Iceberg Quantum og Diraq: model for 1.000 logiske qubits

Iceberg Quantum og Diraq modellerede en arkitektur, der sigter mod 1.000 logiske qubits ud fra cirka 150.000 fysiske siliciumqubits fra Diraq. Det er vigtigt at skelne mellem en valideret arkitekturmodel og en påstand om, at 1.000 logiske qubits allerede kører på hardwaren. 121

Infleqtion: qLDPC-fejlkorrektion

Infleqtion integrerede sit open source-bibliotek qLDPC med CUDA-Q Logical til QEC-forskning. Virksomheden oplyste, at den havde konstrueret og valideret en kode med cirka seks fysiske dataqubits pr. logisk qubit. Ifølge virksomheden kan tilgangen bruge op til fem gange færre fysiske dataqubits end udbredte surface-code-tilgange. Sammenligningen gælder den konkrete metode og dens forudsætninger – ikke alle fejl­tolerante systemer. 192031

Qedma: fejlmitigering til Quantinuum-arbejdsgange

Qedma har integreret sin QESEM-teknologi til fejlmitigering i CUDA-Q til arbejdsgange, der retter sig mod Quantinuum-systemer. Fejlmitigering er ikke det samme som fejl­tolerant fejlkorrektion, men integrationen viser CUDA-Q's rolle som forbindelsesled mellem softwarekomponenter og bestemte hardwareforløb. 26

Quantum Machines: tæt koblet styring

Quantum Machines har integreret NVIDIAs cudaq-realtime med sin Open Acceleration Stack. NVIDIA oplyser, at API'et understøtter tilbagekald med mikrosekunds latenstid mellem GPU'er og kvantecontrollere, så arbejdet kan kobles tæt mellem aktive qubits, GPU'er og CPU'er. 30

Sandia: benchmark for parathed

Sandia National Laboratories har gjort QUOPS tilgængelig i CUDA-Q. NVIDIA beskriver QUOPS som et benchmark, der vurderer, om fejl­tolerant kvantehardware er klar til praktiske anvendelser. Målet er sammenligninger på tværs af platforme frem for én leverandørs særlige målemetode. 122

Hvorfor lanceringen er vigtig

CUDA-Q Logical betyder ikke, at fejl­tolerante kvantecomputere er et løst problem. Værdien ligger i et fælles og udvideligt lag til at udforske det vanskelige rum mellem en anvendelse og den fysiske maskine.

Det afgørende spørgsmål er sjældent alene, hvilken qubitteknologi der er bedst. Det er, om den samlede kombination af algoritme, QEC-kode, compiler, arkitektur, styringslag og klassisk acceleration kan nå et acceptabelt mål for ressourcer og ydelse. CUDA-Q Logical er udviklet for at gøre den sammenligning lettere at modellere, efterprøve og verificere. 124

Tilgængelighed

CUDA-Q Logical er tilgængelig som en del af det open source-baserede CUDA-Q-projekt på GitHub. NVIDIAs udviklerside angiver desuden denne installationskommando til CUDA-Q:

pip install cudaq

GitHubs udgivelsesnoter beskriver CUDA-Q Logical som et åbent og udvideligt logisk lag til fejl­tolerant kvantecomputing. 182437