Quantum Machinesin ja NVIDIAn CUDA-Q-demo yhdisti kubitit, GPU:t ja CPU:t NVQLinkillä

Quantum Machines ja NVIDIA esittelivät Torontossa järjestetyllä IEEE Quantum Weekillä CUDA-Q-sovelluksen, joka toimi aitojen kubittien, Quantum Machinesin ohjauslaitteiston, GPU:iden ja CPU:iden yli NVIDIA NVQLinkin avulla. Olennaista ei ole yksittäinen kvanttioperaatio, vaan tapa käsitellä kvanttiprosessoria ja sitä ohjaavaa klassista laskentaa yhtenä ajoitettavana, heterogeenisenä järjestelmänä. 1015

Mitä demossa tehtiin?

Yhtiöiden raportoiman demon mukaan yksi CUDA-Q-ohjelma ajettiin aidoilla kubiteilla ja Quantum Machinesin Pulse Processing Unit -ohjaimella. NVQLink yhdisti kvanttiohjausympäristön NVIDIAn kiihdytettyyn laskentaan. Quantum Machines kuvasi tätä ensimmäiseksi kerraksi, kun kvanttiohjausyritys on ajanut tällaisen päästä päähän -CUDA-Q-ohjelman näiden resurssien yli. 1015

Väitettä kannattaa tulkita varovasti: kyse on yhtiön ja alan julkaisujen raportoimasta saavutuksesta, ei riippumattomasti vahvistetusta toimialan vertailutuloksesta. Sama koskee väitettä noin mikrosekunnin mittaisesta mittaus- ja ohjaustiedon täydestä kierrosta. 1015

Miten tehtävät jakautuvat kubiteille, GPU:ille ja CPU:ille?

Ajatuksena on, että yksi hybridiohjelma osaa kohdistaa tehtävän sille laskentaresurssille, joka pystyy tekemään sen vaaditussa ajassa:

• Aidot kubitit ja kvanttiohjain suorittavat kvanttioperaatiot sekä reaaliaikaisen ohjauksen.
• GPU:t käsittelevät viiveherkkiä ja laskennallisesti raskaita klassisia tehtäviä, kuten mittausdatan dekoodausta kvanttivirheenkorjausta varten.
• CPU:t hoitavat yleiset isäntäpuolen tehtävät ja orkestroinnin.

NVQLink on suunniteltu reaaliaikaiseksi, deterministisen viiveen rajapinnaksi kvanttijärjestelmän ohjaimen ja suorituskykyisten klassisten laskentaresurssien välille. Tavoitteena on tuoda esimerkiksi kvanttivirheenkorjauksen käsittely osaksi jatkuvaa toimintasilmukkaa erillisen, käsin yhteen rakennetun työnkulun sijaan. 115

Miksi ohjelmointimalli on merkittävä?

Pythonilla, C++:lla tai Quantum Machinesin QUA-kielellä työskenteleville kehittäjille lupaus on korkeamman tason tapa kuvata hybridikuormaa. Sen sijaan, että heidän pitäisi kirjoittaa ja sovittaa yhteen matalan tason pulssiohjausta, prosessorien välisiä siirtoja, laitevaihdoksia ja palautesilmukoita, tehtävät voidaan ilmaista yhdessä CUDA-Q-keskeisessä työnkulussa. Järjestelmä ohjaa ne soveltuvalle kvantti- tai klassiselle resurssille. 15

Tämä ei poista laitteiston taustalla olevaa monimutkaisuutta. Se siirtää suuremman osan koordinoinnista ohjaus-, käännös- ja orkestrointikerroksiin. Ero on tärkeä tiimeille, jotka tavoittelevat toistettavia sovelluksia räätälöityjen laboratoriointegraatioiden sijaan.

Miksi mikrosekuntitason palaute on tärkeää virheenkorjauksessa?

Kvanttivirheenkorjaus perustuu tiukkaan silmukkaan: virhesyndroomat mitataan, mittaukset dekoodataan klassisesti ja korjaava toimenpide tehdään tai ajoitetaan riittävän nopeasti. Muussa tapauksessa kvanttitila voi menettää käyttökelpoisuutensa. NVIDIAn NVQLink-arkkitehtuuri on nimenomaan tarkoitettu kvanttiohjauksen ja HPC-laskennan — eli suurteholaskennan — kytkemiseen verkossa tapahtuvaa kvanttivirheenkorjausta ja muita laskennallisesti raskaita reaaliaikatehtäviä varten. 1

Quantum Machinesin ja NVIDIAn mukaan demossa mittaustieto ja ohjauspäätökset vaihtuivat noin mikrosekunnissa. Tavoite on merkityksellinen, koska CPU- ja GPU-pohjaisen dekoodauksen tai optimoinnin on mahduttava kvanttilaitteiston ja ohjausjärjestelmän sallimaan aikabudjettiin. 101315

Kvanttiprosessori osaksi supertietokonetta

Demo tukee laajempaa arkkitehtuuriajattelua: tulevaisuuden kvanttiprosessori ei välttämättä ole irrallinen laboratorioinstrumentti, vaan erikoistunut kiihdytin kvantti–klassisen supertietokoneen sisällä.

Quantum Machines hahmottelee kolmikerroksista mallia. Kvanttiohjaimet vastaavat nopeasta palautteesta, rajatun viiveen CPU–GPU-palvelimet esimerkiksi kalibroinnista, optimoinnista ja virheenkorjausdekoodauksesta, ja laajemmat HPC-järjestelmät ajoittavat sovellusten kokonaiskuormia. 6 NVIDIAn IEEE Quantum Week -ohjelmassa vikasietoinen kvanttilaskenta kuvattiin vastaavasti koko järjestelmän haasteeksi: se kattaa QPU:n eli kvanttiprosessorin, ohjelmistopinon, kiihdytetyn laskennan ja reaaliaikaisen toiminnan. 2

Tässä mallissa keskeinen kysymys ei ole, pitäisikö jokainen tehtävä ajaa kvanttiprosessorilla. Ratkaisevaa on, suoritetaanko kukin tehtävä sillä resurssilla, joka ehtii tehdä sen vaaditun viiveen puitteissa.

Ohjauskerros on muutakin kuin demo

Quantum Machines liitti integraatiodemon laajempaan painotukseen, joka koskee kalibrointityönkulkuja ja vikasietoisten järjestelmien suunnittelua. IEEE Quantum Weekin virallisessa ohjelmassa oli Quantum Machinesin puheenvuoro “From Pulse to Platform: Control Layer for FTQC” sekä NVIDIAn esitys vikasietoisen aikakauden kiihdytetyn kvanttisupertietokoneen suunnittelusta. 11

Painotus muistuttaa olennaisesta asiasta: pelkkä kubittien kehittäminen ei riitä vikasietoisiin järjestelmiin. Myös ohjauskerroksen, klassisten kiihdyttimien, orkestrointiohjelmiston ja palauteyhteyksien on skaalauduttava yhdessä.

Toronton esitys on siksi syytä nähdä ennen kaikkea integraation näyttönä. Se havainnollistaa, miten CUDA-Q-pohjainen työnkulku voisi yhdistää aidon kvanttilaitteiston CPU:ihin ja GPU:ihin NVQLinkin kautta. Se ei vielä yksin osoita tuotantovalmiin, vikasietoisen kvanttitietokoneen toimivuutta. 1015