Quantum Machines ו-NVIDIA הדגימו שליטה מקצה לקצה ב-CUDA-Q באמצעות NVQLink

בכנס IEEE Quantum Week שנערך בטורונטו, Quantum Machines ו-NVIDIA הציגו יישום CUDA-Q שפעל מקצה לקצה על קיוביטים חיים, חומרת הבקרה של Quantum Machines, מעבדי GPU ומעבדי CPU — כולם מחוברים באמצעות NVIDIA NVQLink. החשיבות אינה בפעולה קוונטית בודדת, אלא בניסיון להפעיל את המעבד הקוונטי ואת שכבת הבקרה הקלאסית שלו כמערכת מחשוב הטרוגנית אחת, שאפשר לתזמן בה משימות לפי המשאב המתאים. 1015

מה בדיוק הודגם

לפי דיווחי החברות והסיקור המקצועי, תוכנית CUDA-Q יחידה רצה על קיוביטים חיים ועל Pulse Processing Unit של Quantum Machines, תוך שימוש ב-NVQLink כדי לקשר את סביבת הבקרה הקוונטית למחשוב המואץ של NVIDIA. Quantum Machines תיארה זאת כפעם הראשונה שבה חברת בקרה קוונטית מריצה תוכנית CUDA-Q מקצה לקצה על פני משאבים אלה. 1015

חשוב לסייג: זו טענת ציון דרך של החברה, המופיעה גם בדיווחי תעשייה, ולא אמת מידה ענפית שאומתה באופן בלתי תלוי. גם הדיווח על מחזור מלא של מדידה ובקרה בתוך כמיקרו-שנייה דורש אימות חיצוני. 1015

מי עושה מה: קיוביטים, GPU ו-CPU

הרעיון המעשי הוא חלוקת עבודה לפי דרישות זמן השהיה וסוג החישוב:

• קיוביטים חיים ובקר קוונטי מבצעים את הפעולות הקוונטיות ואת הבקרה בזמן אמת.
• מעבדי GPU מטפלים במשימות קלאסיות כבדות ורגישות לזמן השהיה, למשל פענוח נתוני מדידה לצורך תיקון שגיאות קוונטי.
• מעבדי CPU אחראים לעבודת מארח כללית ולתזמור התהליך.

NVQLink מיועד לשמש ממשק בזמן אמת בעל זמן השהיה דטרמיניסטי בין בקר של מערכת קוונטית לבין משאבי מחשוב עתירי ביצועים. המטרה היא להכניס עומסי עבודה מקוונים — ובהם עיבוד לתיקון שגיאות קוונטי — ישירות ללולאת ההפעלה, במקום לחבר אותם ידנית כשלבים נפרדים בצינור עיבוד. 115

למה מודל התכנות חשוב למפתחים

עבור מפתחים העובדים עם Python, ‏C++ או שפת QUA של Quantum Machines, ההבטחה היא דרך מופשטת יותר לתאר עומס עבודה היברידי. במקום לכתוב ולסנכרן ידנית רצפי פולסים ברמת חומרה, העברות נתונים בין מעבדים ומסלולי משוב, אפשר לבטא את הזרימה סביב CUDA-Q ולתת למערכת לנתב משימות למשאב הקוונטי או הקלאסי המתאים. 15

הדבר אינו מעלים את מורכבות החומרה. הוא מעביר חלק גדול יותר מהתיאום אל שכבות הבקרה, ההידור והתזמור — הבדל מהותי לצוותים שמנסים לבנות יישומים שניתן לשחזר ולהרחיב, ולא אינטגרציות מעבדה ייחודיות.

מדוע מיקרו-שנייה חשובה לתיקון שגיאות

תיקון שגיאות קוונטי נשען על לולאה צפופה: מודדים תסמונות שגיאה, מפענחים את המדידות באופן קלאסי, ומפעילים או מתזמנים פעולה מתקנת מהר מספיק כדי שהמצב הקוונטי יישאר שימושי. ארכיטקטורת NVQLink של NVIDIA נועדה במפורש לחבר בקרה קוונטית למשאבי HPC — מחשוב עתיר ביצועים — עבור תיקון שגיאות מקוון ועומסי עבודה אחרים הדורשים עיבוד אינטנסיבי בזמן אמת. 1

Quantum Machines ו-NVIDIA מדווחות כי בהדגמה הוחלפו נתוני מדידה והחלטות בקרה בתוך כ-1 מיקרו-שנייה. יעד כזה רלוונטי משום שפענוח או אופטימיזציה על CPU ו-GPU צריכים להיכנס לחלון הזמן שמכתיבים החומרה הקוונטית ומערכת הבקרה שלה. 101315

הכיוון הרחב יותר: QPU כמשאב במחשב-על

ההדגמה תומכת בטענה ארכיטקטונית רחבה יותר: מעבדים קוונטיים עתידיים עשויים לפעול פחות כמכשירים מבודדים ויותר כמאיצים ייעודיים בתוך מחשבי-על קוונטיים-קלאסיים.

Quantum Machines מתארת היררכיה שבה בקרי קוונטים מספקים משוב מהיר; שרתי CPU-GPU עם זמן השהיה תחום מטפלים בכיול, אופטימיזציה ופענוח תיקון שגיאות; ומערכות HPC גדולות יותר מתזמנות עומסי עבודה יישומיים רחבים. 6 גם תוכנית IEEE Quantum Week של NVIDIA הציגה מחשוב קוונטי סובל תקלות כאתגר של מערכת שלמה: ה-QPU, שכבת התוכנה, מחשוב מואץ ותפעול בזמן אמת. 2

במודל הזה, השאלה אינה אם כל משימה צריכה לרוץ על מעבד קוונטי, אלא איזה משאב יכול להשלים כל משימה במסגרת זמן ההשהיה הנדרשת.

שכבת הבקרה: מעבר להדגמה עצמה

Quantum Machines שילבה את הדגמת האינטגרציה במסר רחב יותר על תהליכי כיול ועל תכנון מערכות סובלניות לתקלות. בתוכנית הרשמית של IEEE Quantum Week הופיעה הרצאת מפתח של החברה בשם "From Pulse to Platform: Control Layer for FTQC", לצד מושב של NVIDIA על תכנון מחשב-על קוונטי מואץ לעידן של מחשוב סובל תקלות. 11

הדגש הזה משקף מציאות בסיסית: שיפור הקיוביטים לבדו אינו מספיק למערכות סובלניות לתקלות. גם שכבת הבקרה, המאיצים הקלאסיים, תוכנת התזמור ומסלולי המשוב חייבים להתקדם יחד.

לעת עתה, נכון לראות בהדגמה מטורונטו הוכחת אינטגרציה. היא ממחישה כיצד זרימת עבודה מבוססת CUDA-Q יכולה לקשר חומרה קוונטית חיה ל-CPU ול-GPU דרך NVQLink; היא אינה מוכיחה כשלעצמה קיומו של מחשב קוונטי סובל תקלות ומוכן לשימוש מסחרי. 1015