Quantum Machines og NVIDIA demonstrerer CUDA-Q på tværs af qubits, GPU’er og CPU’er

Quantum Machines og NVIDIA har ved IEEE Quantum Week i Toronto demonstreret en samlet CUDA-Q-applikation, som arbejdede på tværs af levende qubits, Quantum Machines’ kontrolhardware samt GPU’er og CPU’er gennem NVIDIA NVQLink. Pointen er ikke en enkelt kvanteoperation, men en model, hvor kvanteprocessoren og den klassiske kontrolinfrastruktur kan behandles som ressourcer i ét samlet, heterogent system. 1015

Hvad viste demonstrationen?

Ifølge virksomhedernes egen rapportering kørte ét CUDA-Q-program på tværs af levende qubits og Quantum Machines’ Pulse Processing Unit, mens NVQLink forbandt kvantekontrollen med NVIDIAs accelererede beregning. Quantum Machines beskriver det som første gang, en virksomhed inden for kvantekontrol har kørt denne type komplette CUDA-Q-program på tværs af disse ressourcer. 1015

Det er dog vigtigt at skelne mellem en demonstrationspåstand og en uafhængigt fastslået industrirekord. Også den rapporterede fulde udveksling af målinger og kontrolbeslutninger på omtrent ét mikrosekund kræver uafhængig validering. 1015

Sådan fordeles opgaverne

Idéen er at lade et hybridprogram sende arbejdet til den ressource, der passer bedst til opgaven og dens tidskrav:

• Levende qubits og kvantecontrolleren udfører kvanteoperationer og styring i realtid.
• GPU’er håndterer beregningstunge klassiske opgaver med stramme latenstidskrav, eksempelvis afkodning af måledata til kvantefejlkorrektion.
• CPU’er tager sig af generelle værtsopgaver og orkestrering.

NVQLink er udviklet som en realtidsforbindelse med deterministisk latenstid mellem en kvantesystemcontroller og højtydende klassiske ressourcer. Formålet er at gøre onlineopgaver som behandling til kvantefejlkorrektion til en integreret del af driftsløkken frem for en særskilt, manuelt sammenkædet arbejdsgang. 115

Mindre håndarbejde i programmeringen

For udviklere, der bruger Python, C++ eller Quantum Machines’ sprog QUA, er løftet en højere abstraktion. I stedet for selv at skrive og koordinere lavniveau-sekvenser til puls- og kvantekontrol, overførsler mellem processorer og feedbacksløjfer, kan de beskrive opgaven i ét CUDA-Q-orienteret forløb. Systemet kan derefter sende delopgaver til den relevante kvante- eller klassiske ressource. 15

Det fjerner ikke kompleksiteten i hardwaren. Men det flytter en større del af koordineringen ned i kontrol-, kompilerings- og orkestreringslaget. Det kan være væsentligt for forsknings- og udviklingsteams, der vil bygge gentagelige løsninger frem for skræddersyede laboratorieopsætninger.

Hvorfor et mikrosekund er interessant

Kvantefejlkorrektion kræver en tæt feedbacksløjfe: Fejlsyndromer måles, målingerne afkodes klassisk, og korrigerende handling skal iværksættes eller planlægges hurtigt nok til, at kvantetilstanden fortsat er anvendelig. NVIDIAs NVQLink-arkitektur er specifikt rettet mod at koble kvantekontrol med HPC-ressourcer (high-performance computing) til online kvantefejlkorrektion og andre beregningstunge realtidsopgaver. 1

Quantum Machines og NVIDIA oplyser, at demonstrationen udvekslede måledata og kontrolbeslutninger på omtrent ét mikrosekund. Det er relevant, fordi CPU- og GPU-baseret afkodning eller optimering skal kunne holdes inden for den tidsramme, som kvantehardwaren og kontrolsystemet sætter. 101315

Kvanteprocessoren som en supercomputerressource

Demonstrationen peger mod en bredere arkitekturidé: Fremtidens kvanteprocessorer kan komme til at fungere mindre som isolerede instrumenter og mere som specialiserede acceleratorer i kvanteklassiske supercomputere.

Quantum Machines beskriver en lagdelt model, hvor kvantecontrollere står for hurtig feedback, CPU-GPU-servere med afgrænset latenstid håndterer blandt andet kalibrering, optimering og afkodning til fejlkorrektion, mens større HPC-systemer planlægger de overordnede applikationsopgaver. 6 NVIDIAs program ved IEEE Quantum Week fremhævede tilsvarende, at fejltolerant kvanteberegning er en systemopgave, der spænder over QPU’en, softwarestakken, accelereret beregning og realtidsdrift. 2

I den model er spørgsmålet ikke, om alle opgaver skal køre på en kvanteprocessor. Det afgørende er, om hver opgave kører på den ressource, der kan nå den nødvendige latenstid.

Fokus på kontrolaget

Quantum Machines koblede integrationsdemonstrationen med et bredere fokus på kalibreringsarbejdsgange og design af fejltolerante systemer. IEEE Quantum Weeks officielle program omfattede virksomhedens keynote, “From Pulse to Platform: Control Layer for FTQC”, samt NVIDIAs session om at designe en accelereret kvantesupercomputer til den fejltolerante æra. 11

Budskabet er, at bedre qubits alene ikke er nok. Kontrolaget omkring dem, klassiske acceleratorer, orkestreringssoftware og feedbackveje skal også kunne skaleres sammen.

Toronto-demonstrationen bør derfor først og fremmest ses som et integrationsbevis: Den viser, hvordan en CUDA-Q-baseret arbejdsgang kan forbinde levende kvantehardware med CPU’er og GPU’er gennem NVQLink. Den dokumenterer ikke i sig selv en produktionsklar, fejltolerant kvantecomputer. 1015