NVIDIA stawia na obliczenia kwantowe. Inwestycja NVentures we francuski startup Alice & Bob

Finansowanie na budowę niezawodnego sprzętu kwantowego

Alice & Bob specjalizuje się w specyficznym typie kubitu zwanym kubitem-kotem (cat qubit), zaprojektowanym tak, by tłumić pewne rodzaje błędów typowe dla systemów kwantowych. Redukcja błędów na poziomie sprzętowym ma zmniejszyć zapotrzebowanie na skomplikowaną korekcję błędów - jeden z największych problemów w budowie użytecznych komputerów kwantowych.

Rozszerzona runda finansowania pomoże firmie przyspieszyć prace badawczo-rozwojowe i budowę wielkoskalowych maszyn kwantowych w oparciu o tę architekturę.

Choć nie ujawniono dokładnej kwoty inwestycji NVentures, samo jej podjęcie pokazuje rosnące zainteresowanie NVIDII ekosystemem kwantowym i strategię wspierania producentów sprzętu, którzy mogą zintegrować się z jej akcelerowanym stosem obliczeniowym.

Dlaczego komputery kwantowe potrzebują GPU

Nowoczesne systemy kwantowe nie działają w próżni. Wymagają rozbudowanej infrastruktury obliczeniowej do kompilacji obwodów kwantowych, symulacji algorytmów, przetwarzania wyników pomiarów i uruchamiania procedur korekcji błędów.

Strategia NVIDII zakłada łączenie jednostek przetwarzania kwantowego (QPU) z superkomputerami klasy AI zbudowanymi na GPU. Według NVIDII, użyteczne obliczenia kwantowe będą prawdopodobnie wymagać systemów hybrydowych, gdzie QPU ściśle współpracują z klasycznymi zasobami akcelerowanymi.

W tym modelu GPU mogą:

• Symulować i walidować algorytmy kwantowe przed uruchomieniem na rzeczywistym sprzęcie
• Optymalizować obwody i kompilować programy kwantowe
• Wykonywać w czasie rzeczywistym zadania sterowania i dekodowania podczas obliczeń kwantowych

Współpraca z Alice & Bob ma właśnie na celu zbudowanie takiej architektury.

CUDA-Q: warstwa oprogramowania dla hybrydowych programów kwantowych

Kluczowym elementem partnerstwa jest NVIDIA CUDA-Q, otwarta platforma programistyczna do hybrydowych obciążeń kwantowo-klasycznych.

CUDA-Q umożliwia programistom pisanie kodu, który działa jednocześnie na CPU, GPU i QPU w ramach jednego, ujednoliconego modelu programowania. Platforma jest też niezależna od konkretnego typu QPU, co oznacza, że może współpracować z różnymi technologiami kwantowymi, w tym z kubitami-kotami Alice & Bob.

Ta warstwa oprogramowania pozwala naukowcom i centrom HPC eksperymentować z wielkoskalowymi przepływami pracy w informatyce kwantowej, nawet gdy rzeczywisty sprzęt kwantowy jest jeszcze ograniczony.

cuQuantum i symulacja kwantowa akcelerowana GPU

Zanim algorytmy trafią na prawdziwy sprzęt kwantowy, często trzeba je zasymulować na dużą skalę. Zestaw narzędzi NVIDIA cuQuantum przyspiesza te symulacje na GPU, umożliwiając badanie obwodów kwantowych z wydajnością przewyższającą możliwości obecnych procesorów kwantowych.

Ta funkcja jest szczególnie cenna na wczesnych etapach rozwoju sprzętu kwantowego, gdy symulacja pomaga walidować architekturę, algorytmy i systemy sterowania.

Dynamiqs: symulacja fizyki kubitów-kotów na GPU

Otwartoźródłowa biblioteka Dynamiqs Alice & Bob koncentruje się na symulacji fizyki i dynamiki sterowania systemami kwantowymi. Firma zintegrowała CUDA-Q z Dynamiqs, umożliwiając akcelerację GPU dla wielkoskalowych symulacji systemów kubitów-kotów.

Wstępne testy pokazują, że integracja może poprawić wydajność symulacji nawet 75-krotnie, ułatwiając naukowcom modelowanie urządzeń kwantowych przed wdrożeniem rzeczywistego sprzętu.

Symulacje te pomagają udoskonalać protokoły sterowania, optymalizować techniki korekcji błędów i kierować projektowaniem sprzętu.

NVQLink: łączenie GPU z procesorami kwantowymi

Na poziomie architektury systemu Alice & Bob i NVIDIA współpracują przy NVQLink, otwartej platformie do bezpośredniego łączenia GPU z procesorami kwantowymi.

NVQLink ściśle łączy klasyczny host superkomputerowy z kontrolerem systemu kwantowego, umożliwiając GPU udział w obciążeniach kwantowych w czasie rzeczywistym.

W praktyce oznacza to, że GPU mogą przejąć zadania takie jak:

• Kompilacja obwodów
• Dekodowanie w czasie rzeczywistym dla korekcji błędów kwantowych
• Dynamiczna kalibracja kubitów
• Sterowanie zwrotne podczas obliczeń kwantowych

Komunikacja o niskim opóźnieniu między procesorem kwantowym a infrastrukturą GPU jest kluczowa dla obliczeń kwantowych odpornych na błędy, gdzie systemy sterowania muszą błyskawicznie reagować na wyniki pomiarów.

W stronę hybrydowych superkomputerów kwantowo-klasycznych

Nadrzędnym celem partnerstwa NVIDIA-Alice & Bob nie jest samodzielna maszyna kwantowa, ale hybrydowe platformy superkomputerowe odpowiednie dla centrów obliczeń wysokiej wydajności (HPC).

W takich systemach:

• Procesory kwantowe wykonują wyspecjalizowane operacje kwantowe.
• GPU obsługują symulacje, orkiestrację i zadania sterowania w czasie rzeczywistym.
• Hybrydowe platformy programowe, jak CUDA-Q, koordynują przepływ pracy między wszystkimi zasobami obliczeniowymi.

Integrując procesory kubitów-kotów z ekosystemem akcelerowanego obliczeniowo NVIDII, obie firmy dążą do tego, by sprzęt kwantowy łatwiej wdrażać w tej samej infrastrukturze, która dziś obsługuje AI i systemy HPC.

Jeśli się uda, takie podejście może przenieść obliczenia kwantowe z izolowanych laboratoriów do praktycznych, hybrydowych superkomputerów zdolnych rozwiązywać realne problemy.