NVIDIA voegt CUDA-Q Logical toe voor fouttolerant quantumontwerp

NVIDIA heeft tijdens IEEE Quantum Week in Toronto CUDA-Q Logical aangekondigd: een nieuwe opensource-orkestratielaag voor fouttolerant quantumcomputing. De uitbreiding van CUDA-Q moet onderzoekers in staat stellen de logische quantumstack programmeerbaar en verifieerbaar te maken. Daardoor kunnen ze algoritmen, quantumfoutcorrectie (QEC), hardwarearchitectuur en keuzes op het niveau van de quantumprocessor (QPU) als één verbonden systeem beoordelen. 19

Waarom gezamenlijk ontwerp nodig is

Een bruikbare fouttolerante quantumcomputer ontstaat niet door onafhankelijk een algoritme, foutcorrectiecode en qubittechnologie te kiezen. Die lagen beïnvloeden elkaar voortdurend. Een bepaalde code verandert bijvoorbeeld hoeveel fysieke qubits nodig zijn; de connectiviteit van de hardware bepaalt hoe bewerkingen kunnen worden gecompileerd; en keuzes in aansturing en decoding kunnen de uiteindelijke looptijd beïnvloeden.

CUDA-Q Logical is bedoeld om die afwegingen toetsbaar te maken. De logische laag biedt taalhulpmiddelen om QEC-bouwstenen te beschrijven en te combineren, en om de benodigde resources voor verschillende systeemarchitecturen te begrijpen. Teams kunnen configuraties dus verwisselen, uitkomsten naast elkaar leggen en een ontwerp eerder in het ontwikkeltraject valideren. 24

De praktische verandering zit in de verschuiving van optimalisatie per afzonderlijke laag naar beoordeling van een compleet kandidaat-systeem. CUDA-Q zelf is een hybride quantum-klassiek platform voor het integreren en programmeren van QPU’s, GPU’s en CPU’s in één systeem. 18

Wat de nieuwe laag mogelijk moet maken

Volgens NVIDIA biedt CUDA-Q Logical een open, programmeerbare en verifieerbare aanpak voor de ontwikkeling van fouttolerante toepassingen. Centraal staan logische qubits: foutgecorrigeerde qubits die uit veel fysieke qubits zijn opgebouwd. Die zullen naar verwachting nodig zijn voor lange en betrouwbare quantumberekeningen. 19

Onderzoekers kunnen met deze werkwijze onder meer:

• een fouttolerant algoritme en de bijbehorende QEC-bewerkingen beschrijven;
• verschillende QEC-codes en compilatiestrategieën evalueren;
• opties voor hardware en QPU-architectuur modelleren;
• de benodigde resources voor een doel met logische qubits ramen; en
• systeembrede prestatie-afwegingen vergelijken voordat zij zich vastleggen op een implementatie. 124

Daarmee verdwijnt de fundamentele hardwareuitdaging niet. De laag biedt vooral een gedeelde softwarebasis om ontwerpveronderstellingen expliciet te maken en tegen alternatieven te testen.

Voorbeelden, resultaten en integraties

De aankondiging ging vergezeld van voorbeelden van laboratoria en quantumcomputingbedrijven. Het gaat om specifieke werkwijzen, modellen of integraties; de resultaten zijn dus geen uniforme maatstaf voor de stand van fouttolerante quantumcomputing.

Fermilab: sneller architecturen beoordelen

Fermilab gebruikte CUDA-Q Logical voor een herhaalbare en verifieerbare workflow voor de ontwikkeling van een fouttolerante architectuur. NVIDIA meldt dat de ontwikkeltijd daarmee terugging van ongeveer vijf maanden naar drie weken, een versnelling van circa zeven keer. 1

Iceberg Quantum en Diraq: resources voor logische qubits modelleren

Iceberg Quantum en Diraq modelleerden een architectuur die moet uitkomen op 1.000 logische qubits uit ongeveer 150.000 fysieke siliciumqubits van Diraq. Belangrijk daarbij: het betreft een architectuurmodel en validatieworkflow, niet de claim dat die 1.000 logische qubits nu al op deze hardware draaien. 121

Infleqtion: qLDPC-foutcorrectie

Infleqtion koppelde zijn opensourcebibliotheek qLDPC aan CUDA-Q Logical voor QEC-onderzoek. Het bedrijf rapporteerde een code te hebben geconstrueerd en gevalideerd met ongeveer zes fysieke dataqubits per logische qubit. Volgens Infleqtion kan dat tot vijf keer minder fysieke dataqubits vergen dan gangbare benaderingen met surface codes. Die vergelijking geldt voor de gemelde aanpak en aannames, niet als universele resource-eis voor alle fouttolerante systemen. 192031

Qedma: foutmitigatie voor Quantinuum-workflows

Qedma integreerde zijn QESEM-technologie voor foutmitigatie in CUDA-Q voor workflows gericht op systemen van Quantinuum. Foutmitigatie en foutcorrectie voor fouttolerante systemen zijn verschillende technieken, maar de koppeling laat zien hoe CUDA-Q softwarecomponenten met specifieke hardwareworkflows kan verbinden. 26

Quantum Machines: quantum-klassieke realtime-aansturing

Quantum Machines integreerde NVIDIA’s mogelijkheid cudaq-realtime met zijn Open Acceleration Stack. Volgens NVIDIA ondersteunt de API callbacks met microseconde-latentie tussen GPU’s en quantumcontrollers. Dat maakt nauw gekoppelde verwerking mogelijk tussen actieve qubits, GPU’s en CPU’s. 30

Sandia: een benchmark voor gereedheid

Sandia National Laboratories maakte QUOPS beschikbaar in CUDA-Q. NVIDIA omschrijft QUOPS als een benchmark om te beoordelen in hoeverre fouttolerante quantumhardware klaar is voor praktische toepassingen. De opzet is bedoeld voor platformoverstijgende evaluatie, en niet om hardware langs één leveranciersspecifieke meetlat te leggen. 122

Waarom dit relevant is

CUDA-Q Logical betekent niet dat fouttolerante quantumcomputing een opgelost probleem is. De waarde ligt in een gemeenschappelijke, uitbreidbare laag om de complexe ontwerpkeuzes tussen toepassing en fysieke machine systematisch te verkennen.

Voor teams die aan systemen met logische qubits werken, is de kernvraag zelden alleen welke qubittechnologie het beste is. Het gaat erom of de combinatie van algoritme, QEC-code, compiler, architectuur, besturingsstack en klassieke versnelling aan een aanvaardbaar doel voor resources en prestaties kan voldoen. CUDA-Q Logical is ontworpen om die vraag makkelijker te modelleren, vergelijken en verifiëren. 124

Beschikbaarheid

CUDA-Q Logical is beschikbaar binnen het opensourceproject CUDA-Q op GitHub. NVIDIA vermeldt op zijn ontwikkelaarspagina ook deze installatieopdracht voor CUDA-Q:

pip install cudaq

De releasenotes op GitHub omschrijven CUDA-Q Logical als een open en uitbreidbare logische laag voor fouttolerante quantumcomputing. 182437