CUDA-Q Logical auttaa suunnittelemaan vikasietoisia kvanttijärjestelmiä kokonaisuutena

NVIDIA on laajentanut avoimen lähdekoodin CUDA-Q-alustaansa CUDA-Q Logicalilla. Kyseessä on vikasietoiseen kvanttilaskentaan tarkoitettu orkestrointikerros, jonka avulla tutkijat voivat ohjelmoida ja varmentaa loogisten kubittien järjestelmiä. Julkistus tehtiin IEEE Quantum Week -tapahtumassa Torontossa. 19

Looginen kubitti on useista fyysisistä kubiteista virheenkorjauksen avulla rakennettu kubitti. Sellaisten odotetaan olevan välttämättömiä pitkien ja luotettavien kvanttilaskujen suorittamiseksi.

Miksi yhteissuunnittelu on tärkeää?

Vikasietoista kvanttitietokonetta ei käytännössä voi suunnitella valitsemalla algoritmia, virheenkorjauskoodia ja kubittiteknologiaa toisistaan riippumatta. Virheenkorjauskoodi vaikuttaa tarvittavien fyysisten kubittien määrään, laitteiston kytkeytyvyys rajoittaa ohjelman kääntämistä ja ohjaus- sekä dekoodausratkaisut voivat muuttaa laskennan käytännön suorituskykyä.

CUDA-Q Logical on tarkoitettu tekemään tällaisista riippuvuuksista kokeiltavia. Sen looginen kerros sisältää kielityökaluja kvanttivirheenkorjauksen (QEC) rakennusosien kuvaamiseen ja yhdistämiseen sekä niiden resurssitarpeiden arviointiin eri järjestelmäarkkitehtuureissa. Tutkimusryhmät voivat siten vaihtaa vaihtoehtoisia kokoonpanoja, verrata tuloksia ja varmentaa suunnitelmaa jo varhaisessa vaiheessa. 24

Painopiste siirtyy yksittäisten kerrosten optimoinnista koko ehdokasjärjestelmän arviointiin. CUDA-Q tarjoaa jo ennestään hybridiympäristön, jossa kvanttiprosessoreita (QPU), grafiikkasuorittimia (GPU) ja suorittimia (CPU) voidaan integroida ja ohjelmoida yhtenä kokonaisuutena. 18

Mitä CUDA-Q Logicalilla voidaan arvioida?

NVIDIAn mukaan kerroksella voidaan muun muassa:

• kuvata vikasietoinen kvanttialgoritmi ja sen QEC-toiminnot;
• vertailla virheenkorjauskoodeja ja käännösmenetelmiä;
• mallintaa QPU- ja laitearkkitehtuurivaihtoehtoja;
• arvioida loogisten kubittien tavoitteen vaatimia resursseja; sekä
• verrata järjestelmätason suorituskyky- ja resurssikompromisseja ennen tiettyyn toteutukseen sitoutumista. 124

Työkalu ei poista fyysisen kvanttilaitteiston vaikeita ongelmia. Sen tarkoitus on pikemminkin tarjota yhteinen ohjelmistokerros, jossa suunnitteluoletukset voidaan tehdä näkyviksi ja testata vaihtoehtoja vasten.

Esimerkkejä tuloksista ja integraatioista

Ilmoituksen yhteydessä esiteltiin laboratorioiden ja kvanttilaskentayritysten työnkulkuja. Luvut kuvaavat tiettyjä malleja, integraatioita ja oletuksia, eivätkä ne ole yleinen mittari vikasietoisen kvanttilaskennan valmiudelle.

Fermilab: arviointi nopeutui kuukausista viikkoihin

Fermilab käytti CUDA-Q Logicalia toistettavassa ja varmennettavassa vikasietoisen arkkitehtuurin kehitysprosessissa. NVIDIAn mukaan kehitysaika lyheni noin viidestä kuukaudesta kolmeen viikkoon, mikä vastaa noin seitsenkertaista nopeutusta. 1

Iceberg Quantum ja Diraq: 1 000 loogisen kubitin arkkitehtuurimalli

Iceberg Quantum ja Diraq mallinsivat arkkitehtuurin, jonka tavoitteena on tuottaa 1 000 loogista kubittia noin 150 000 Diraqin pii-pohjaisesta fyysisestä kubitista. Kyse on arkkitehtuurimallista ja validointityönkulusta, ei väitteestä, että kyseinen määrä loogisia kubitteja olisi jo käytössä tällä laitteistolla. 121

Infleqtion: qLDPC-virheenkorjaus

Infleqtion integroi avoimen lähdekoodin qLDPC-kirjastonsa CUDA-Q Logicaliin QEC-tutkimusta varten. Yhtiö kertoi rakentaneensa ja validoineensa koodin, jossa käytetään noin kuutta fyysistä datakubittia yhtä loogista kubittia kohti. Sen mukaan tämä voisi vaatia jopa viisi kertaa vähemmän fyysisiä datakubitteja kuin vallitsevat pintakoodiin perustuvat lähestymistavat. Vertailu koskee kuitenkin ilmoitettua menetelmää ja sen oletuksia, ei kaikkien vikasietoisten järjestelmien yleispätevää kubittivaatimusta. 192031

Qedma: virheiden lievennys Quantinuum-työnkuluissa

Qedma integroi QESEM-virheidenlievennysteknologiansa CUDA-Q:hun Quantinuumin järjestelmille suunnatuissa työnkuluissa. Virheiden lievennys ja vikasietoiseen laskentaan tähtäävä virheenkorjaus ovat eri tekniikoita, mutta integraatio havainnollistaa CUDA-Q:n roolia kvanttiohjelmiston osien ja tiettyjen laitteistotyönkulkujen yhdistäjänä. 26

Quantum Machines: reaaliaikainen kvantti–klassinen ohjaus

Quantum Machines integroi NVIDIAn cudaq-realtime-ominaisuuden Open Acceleration Stackiinsa. NVIDIAn mukaan rajapinta tukee mikrosekuntien viiveellä toimivia takaisinkutsuja GPU-laitteiden ja kvanttiohjainten välillä, mikä mahdollistaa tiukasti kytketyn työn elävien kubittien, GPU-laitteiden ja CPU-suorittimien välillä. 30

Sandia: QUOPS-valmiusmittari

Sandia National Laboratories toi QUOPS-mittarinsa CUDA-Q:hun. NVIDIAn mukaan QUOPS arvioi, kuinka valmista vikasietoinen kvanttilaitteisto on käytännön sovelluksiin. Tavoitteena on alustariippumaton vertailu, ei yhden toimittajan omaan mittariin perustuva arvio. 122

Mikä julkaisussa on olennaista?

CUDA-Q Logical ei tarkoita, että vikasietoinen kvanttilaskenta olisi ratkaistu. Julkaisun merkitys on yhteisessä ja laajennettavassa kerroksessa, jolla voidaan tutkia sovelluksen ja fyysisen kvanttikoneen väliin jäävää monimutkaista suunnitteluavaruutta.

Loogisiin kubitteihin tähtäävissä hankkeissa ratkaiseva kysymys ei yleensä ole vain se, mikä kubittiteknologia on paras. Olennaista on, pystyykö algoritmin, QEC-koodin, kääntäjän, arkkitehtuurin, ohjauspinon ja klassisen kiihdytyksen yhdistelmä saavuttamaan hyväksyttävän resurssi- ja suorituskykytason. CUDA-Q Logical on suunnattu juuri tämän kokonaisuuden mallintamiseen, vertailuun ja varmentamiseen. 124

Saatavuus

CUDA-Q Logical on saatavilla osana avoimen lähdekoodin CUDA-Q-projektia GitHubissa. NVIDIAn kehittäjäsivun mukaan CUDA-Q:n Python-asennus onnistuu komennolla:

pip install cudaq

GitHubin julkaisutiedoissa CUDA-Q Logical kuvataan avoimeksi ja laajennettavaksi loogiseksi kerrokseksi vikasietoiseen kvanttilaskentaan. 182437