Quantum Machines og NVIDIA demonstrerer CUDA-Q på tvers av qubiter, GPU-er og CPU-er

Quantum Machines og NVIDIA brukte IEEE Quantum Week i Toronto til å demonstrere en ende-til-ende CUDA-Q-applikasjon som kjørte på tvers av levende qubiter, Quantum Machines-kontrollmaskinvare, GPU-er og CPU-er via NVIDIA NVQLink. Det sentrale med demonstrasjonen er ikke én enkelt kvanteoperasjon, men ideen om at kvanteprosessoren og den klassiske kontrollstakken kan behandles som deler av ett planleggbart, heterogent datasystem. 1015

Dette ble demonstrert

Ifølge selskapenes rapportering kjørte ett CUDA-Q-program på tvers av levende qubiter og Quantum Machines’ Pulse Processing Unit, samtidig som NVQLink koblet kvantekontrollmiljøet til NVIDIAs akselererte databehandling. Quantum Machines omtaler dette som første gang et selskap innen kvantekontroll har kjørt et slikt ende-til-ende CUDA-Q-program på tvers av disse ressursene. 1015

Påstanden bør tolkes med varsomhet: Dette er en milepæl rapportert av selskapene og fagpresse, ikke en uavhengig etablert bransjestandard. Også den rapporterte komplette utvekslingen av måle- og kontrollinformasjon på omtrent ett mikrosekund trenger uavhengig validering. 1015

Slik fordeles arbeidet mellom qubiter, GPU-er og CPU-er

Poenget er ressursbevisst kjøring i ett hybridprogram:

• Levende qubiter og kvantekontrolleren utfører kvanteoperasjoner og sanntidskontroll.
• GPU-er tar forsinkelseskritiske og regnetunge klassiske oppgaver, som dekoding av måledata for kvantefeilkorreksjon.
• CPU-er håndterer generelt vertsmaskinarbeid og orkestrering.

NVQLink er utviklet som et sanntidsgrensesnitt med deterministisk forsinkelse mellom et kvantesystemets kontrollenhet og kraftige klassiske databehandlingsressurser. Hensikten er at arbeidsoppgaver som skjer mens systemet kjører – blant annet behandling for kvantefeilkorreksjon – skal inngå i selve kontrollsløyfen, fremfor å være en separat kjede som må kobles sammen manuelt. 115

Hvorfor programmeringsmodellen er viktig

For utviklere som arbeider i Python, C++ eller Quantum Machines’ QUA-språk, er løftet en mer overordnet måte å beskrive hybride arbeidslaster på. I stedet for å kode og koordinere lavnivåsekvenser for pulskontroll, overleveringer mellom prosessorer, dataflyt og tilbakemeldingsbaner for hånd, kan utvikleren beskrive arbeidet i én CUDA-Q-sentrert arbeidsflyt. Derfra kan oppgaver sendes til riktig kvante- eller klassisk ressurs. 15

Det fjerner ikke den tekniske kompleksiteten i maskinvaren. Men mer av koordineringen flyttes til kontroll-, kompilerings- og orkestreringslaget. Det kan være vesentlig for team som vil bygge repeterbare applikasjoner fremfor skreddersydde laboratorieintegrasjoner.

Hvorfor tilbakemelding på mikrosekundnivå betyr noe

Kvantefeilkorreksjon er avhengig av en tett sløyfe: Systemet må måle feilsyndromer, dekode målingene klassisk og utføre eller planlegge korrigerende tiltak raskt nok til at kvantetilstanden fortsatt er nyttig. NVIDIAs NVQLink-arkitektur er uttrykkelig rettet mot å koble kvantekontroll med HPC-ressurser for kvantefeilkorreksjon i sanntid og andre regnetunge oppgaver med strenge tidskrav. 1

Quantum Machines og NVIDIA oppgir at demonstrasjonen utvekslet måledata og kontrollbeslutninger på om lag ett mikrosekund. Dette er et relevant tidsmål fordi dekoding eller optimalisering på CPU og GPU må holde seg innenfor tidsbudsjettet som kvantemaskinvaren og kontrollsystemet setter. 101315

Målet: kvanteprosessorer som ressurser i superdatamaskiner

Demonstrasjonen støtter en større arkitekturtanke: Fremtidige kvanteprosessorer kan fungere mindre som isolerte laboratorieinstrumenter og mer som spesialiserte akseleratorer i kvante-klassiske superdatamaskiner.

Quantum Machines beskriver et hierarki der kvantekontrollere gir rask tilbakemelding, CPU-GPU-servere med avgrenset forsinkelse tar oppgaver som kalibrering, optimalisering og dekoding for feilkorreksjon, mens større HPC-systemer planlegger mer omfattende applikasjonsarbeid. 6 NVIDIAs program for IEEE Quantum Week framhevet på tilsvarende vis feiltolerant kvantedatabehandling som en utfordring for hele systemet: QPU-en, programvarestakken, akselerert databehandling og sanntidsdrift må fungere sammen. 2

I denne modellen er ikke hovedspørsmålet om alle oppgaver skal kjøre på en kvanteprosessor. Spørsmålet er om hver oppgave kjører på ressursen som kan fullføre den innenfor nødvendig forsinkelse.

Kontrollaget står også i sentrum

Quantum Machines koblet integrasjonsdemonstrasjonen til et bredere arbeid med kalibreringsarbeidsflyter og design for feiltolerante systemer. IEEE Quantum Weeks offisielle program oppførte en keynote fra Quantum Machines med tittelen «From Pulse to Platform: Control Layer for FTQC», ved siden av NVIDIAs sesjon om utforming av en akselerert kvantesuperdatamaskin for den feiltolerante tidsalderen. 11

Det understreker en sentral realitet: Bedre qubiter alene er ikke nok for feiltolerante systemer. Kontrollaget rundt dem, klassiske akseleratorer, orkestreringsprogramvare og tilbakemeldingsbaner må også kunne skaleres sammen.

Foreløpig bør demonstrasjonen i Toronto først og fremst forstås som et bevis på integrasjon. Den viser hvordan en CUDA-Q-basert arbeidsflyt kan koble levende kvantemaskinvare til CPU-er og GPU-er via NVQLink. Den beviser ikke i seg selv at en produksjonsklar, feiltolerant kvantedatamaskin er på plass. 1015