Quantum Machines en NVIDIA demonstreren CUDA-Q over live qubits, GPU’s en CPU’s

Quantum Machines en NVIDIA hebben tijdens IEEE Quantum Week in Toronto een end-to-end CUDA-Q-toepassing getoond die draait over live qubits, de besturingshardware van Quantum Machines, GPU’s en CPU’s. NVIDIA NVQLink vormde daarbij de verbinding tussen de quantumcontroller en de versnelde klassieke rekenomgeving. De betekenis van de demonstratie zit vooral in die integratie: een quantumprocessor en de klassieke besturingslaag worden behandeld als onderdelen van één in te plannen, heterogeen systeem. 1015

Wat is er precies gedemonstreerd?

Volgens de betrokken bedrijven draaide één CUDA-Q-programma over live qubits en de Pulse Processing Unit van Quantum Machines, terwijl NVQLink de koppeling met NVIDIA’s versnelde rekencapaciteit verzorgde. Quantum Machines stelt dat dit de eerste keer is dat een quantumcontrolbedrijf zo’n end-to-end CUDA-Q-programma over deze combinatie van middelen heeft uitgevoerd. 1015

Die kwalificatie moet wel met de nodige nuance worden gelezen. Het gaat om een claim van het bedrijf en berichtgeving uit de vakpers, niet om een onafhankelijk vastgestelde industriestandaard. Ook de gerapporteerde volledige meet- en besturingsuitwisseling van ongeveer één microseconde moet nog onafhankelijk worden gevalideerd. 1015

Eén programma, verschillende soorten rekenwerk

Het uitgangspunt is dat een hybride programma taken kan laten uitvoeren door de hardware die er het best voor geschikt is:

• Live qubits en de quantumcontroller voeren quantumoperaties en real-time besturing uit.
• GPU’s verwerken rekenintensieve klassieke taken die snel klaar moeten zijn, zoals het decoderen van meetgegevens voor quantumfoutcorrectie.
• CPU’s nemen algemene hosttaken en orkestratie voor hun rekening.

NVQLink is bedoeld als een real-time interface met voorspelbare vertraging tussen de controller van een quantumsysteem en krachtige klassieke rekenmiddelen. Daarmee kunnen online taken, waaronder verwerking voor quantumfoutcorrectie, onderdeel worden van de operationele lus in plaats van een losse keten die handmatig aan elkaar moet worden gekoppeld. 115

Waarom de programmeerlaag ertoe doet

Voor ontwikkelaars die werken met Python, C++ of de QUA-taal van Quantum Machines is de belofte vooral een hoger abstractieniveau. In plaats van zelf low-level pulssignalen, overdrachten tussen processors, dataverplaatsingen en feedbackpaden te programmeren en op elkaar af te stemmen, kunnen zij een hybride taak beschrijven in één CUDA-Q-gerichte workflow. Die verdeelt het werk vervolgens over de relevante quantum- en klassieke middelen. 15

De technische complexiteit van de hardware verdwijnt daarmee niet. Zij verschuift naar de besturings-, compilatie- en orkestratielaag. Dat is een relevant verschil voor teams die herhaalbare toepassingen willen bouwen, in plaats van telkens een unieke laboratoriumintegratie op te zetten.

Waarom een feedbacklus van microseconden belangrijk is

Quantumfoutcorrectie berust op een krappe terugkoppellus: fouten meten via zogeheten syndromen, die meetgegevens klassiek decoderen en vervolgens snel genoeg een correctie toepassen of inplannen. Anders gaat de bruikbare quantumtoestand verloren voordat de reactie effect heeft.

De NVQLink-architectuur van NVIDIA is expliciet gericht op het koppelen van quantumcontrol aan HPC-middelen (high-performance computing) voor online quantumfoutcorrectie en andere rekenintensieve real-time taken. 1

Quantum Machines en NVIDIA melden dat hun demonstratie meetdata en besturingsbeslissingen in ongeveer één microseconde uitwisselde. Die vertraging is relevant omdat decodering of optimalisatie op CPU’s en GPU’s moet passen binnen de tijdslimiet die de quantumhardware en controller opleggen. 101315

Quantumprocessors als versnellers in supercomputers

De demonstratie ondersteunt een bredere architectuurvisie: toekomstige quantumprocessors zouden minder als geïsoleerde laboratoriuminstrumenten kunnen functioneren en meer als gespecialiseerde versnellers in quantum-klassieke supercomputers.

Quantum Machines schetst daarbij een hiërarchie. Quantumcontrollers verzorgen snelle feedback; CPU-GPU-servers met begrensde vertraging verwerken bijvoorbeeld kalibratie, optimalisatie en foutcorrectiedecodering; grotere HPC-systemen plannen vervolgens de bredere applicatieworkloads. 6 NVIDIA presenteerde fouttolerante quantumcomputing tijdens IEEE Quantum Week eveneens als een uitdaging voor het volledige systeem: van QPU en softwarestack tot versnelde berekeningen en real-time bedrijfsvoering. 2

In zo’n model is de kernvraag niet of elke taak op een quantumprocessor moet draaien. Het gaat erom dat iedere taak terechtkomt op de rekenbron die haar binnen de vereiste tijd kan afronden.

Meer dan alleen deze demo

Quantum Machines koppelde de integratiedemonstratie aan een bredere focus op kalibratieworkflows en het ontwerp van fouttolerante systemen. In het officiële programma van IEEE Quantum Week stond een keynote van Quantum Machines, ‘From Pulse to Platform: Control Layer for FTQC’, naast NVIDIA’s sessie over het ontwerp van een versnelde quantumsupercomputer voor het fouttolerante tijdperk. FTQC staat voor fault-tolerant quantum computing, oftewel fouttolerante quantumcomputing. 11

Dat accent onderstreept een fundamenteel punt: betere qubits alleen zijn niet voldoende voor fouttolerante systemen. Ook de besturingslaag, klassieke versnellers, orkestratiesoftware en feedbackpaden moeten tegelijk kunnen opschalen.

Voorlopig is de demonstratie in Toronto daarom vooral een integratiebewijs. Zij laat zien hoe een CUDA-Q-workflow live quantumhardware via NVQLink met CPU’s en GPU’s kan verbinden. Op zichzelf bewijst zij nog niet dat er een productierijpe, fouttolerante quantumcomputer bestaat. 1015