NVIDIA adiciona CUDA-Q Logical para co-projetar computação quântica tolerante a falhas

A NVIDIA anunciou, durante a IEEE Quantum Week em Toronto, o CUDA-Q Logical, uma nova camada de orquestração open source voltada à computação quântica tolerante a falhas. Integrada à plataforma CUDA-Q, ela foi criada para tornar a pilha de computação quântica no nível dos qubits lógicos mais programável e verificável. 19

Em termos práticos, a ferramenta pretende ajudar equipes de pesquisa a analisar, como um único projeto, escolhas que normalmente estão interligadas: algoritmo, código de correção de erros quânticos (QEC), compilação, arquitetura do processador quântico e componentes da QPU — a unidade de processamento quântico.

Por que o co-design é necessário

Um computador quântico tolerante a falhas não resulta apenas da escolha de uma tecnologia de qubit. O algoritmo define exigências de execução; o código de correção de erros muda a quantidade de qubits físicos necessária; a conectividade do hardware influencia a compilação; e os mecanismos de controle e decodificação podem afetar o desempenho em tempo de execução.

O CUDA-Q Logical busca transformar essas dependências em comparações testáveis. A camada inclui ferramentas de linguagem para expressar e compor componentes de correção de erros quânticos e para entender os recursos exigidos por eles em diferentes arquiteturas de sistema. 24

A ideia é permitir a troca de configurações e a validação antecipada de hipóteses de projeto, antes de uma equipe se comprometer com determinada implementação. A plataforma CUDA-Q mais ampla integra a programação de QPUs, GPUs e CPUs em um sistema híbrido quântico-clássico. 18

O foco: qubits lógicos, não apenas qubits físicos

Qubits lógicos são qubits protegidos por correção de erros e construídos a partir de múltiplos qubits físicos. Eles são considerados necessários para executar cálculos quânticos longos e confiáveis, pois os qubits físicos estão sujeitos a ruído e falhas.

Segundo a NVIDIA, o CUDA-Q Logical permite, entre outras tarefas:

• descrever algoritmos tolerantes a falhas e suas operações de QEC;
• avaliar códigos de correção de erros e estratégias de compilação;
• modelar opções de hardware e de arquitetura de QPUs;
• estimar os recursos necessários para uma meta de qubits lógicos; e
• comparar compromissos entre desempenho e recursos em nível de sistema. 124

A camada não elimina os desafios do hardware quântico. Seu objetivo é oferecer um ambiente comum para explicitar as premissas de um projeto e confrontá-las com alternativas.

Resultados e integrações divulgados

Os exemplos anunciados descrevem fluxos de trabalho, modelos ou integrações específicos. Portanto, não devem ser interpretados como uma medida única da capacidade atual de sistemas quânticos tolerantes a falhas.

Fermilab: avaliação de arquitetura em menos tempo

O Fermilab utilizou o CUDA-Q Logical em um fluxo repetível e verificável de desenvolvimento de arquitetura tolerante a falhas. A NVIDIA afirma que o processo reduziu o tempo de desenvolvimento de cerca de cinco meses para três semanas, o equivalente a um ganho aproximado de 7 vezes. 1

Iceberg Quantum e Diraq: modelagem de 1.000 qubits lógicos

Iceberg Quantum e Diraq modelaram uma arquitetura destinada a produzir 1.000 qubits lógicos a partir de aproximadamente 150.000 qubits físicos de silício da Diraq. Trata-se de um modelo e de um fluxo de validação de arquitetura — não de uma afirmação de que esses 1.000 qubits lógicos já estejam em operação nesse hardware. 121

Infleqtion: correção de erros com qLDPC

A Infleqtion integrou sua biblioteca open source qLDPC ao CUDA-Q Logical para pesquisa em correção de erros quânticos. A empresa informou ter construído e validado um código com cerca de seis qubits físicos de dados por qubit lógico, e afirmou que sua abordagem poderia usar até cinco vezes menos qubits físicos de dados do que abordagens predominantes baseadas em códigos de superfície. A comparação depende das premissas e do método relatados; não representa uma exigência universal para todo sistema tolerante a falhas. 192031

Qedma e Quantinuum: mitigação de erros

A Qedma integrou sua tecnologia de mitigação de erros QESEM ao CUDA-Q para fluxos voltados a sistemas da Quantinuum. Mitigação de erros não é o mesmo que correção de erros tolerante a falhas, mas a integração ilustra o papel do CUDA-Q como ponto de conexão entre componentes de software quântico e fluxos específicos de hardware. 26

Quantum Machines: controle quântico-clássico em tempo real

A Quantum Machines integrou o recurso cudaq-realtime da NVIDIA à sua Open Acceleration Stack. Segundo a NVIDIA, a API permite callbacks entre GPUs e controladores quânticos com latência de microssegundos, viabilizando coordenação estreita entre qubits em operação, GPUs e CPUs. 30

Sandia: um benchmark de prontidão

Os Sandia National Laboratories disponibilizaram o QUOPS no CUDA-Q. A NVIDIA descreve o QUOPS como um benchmark para avaliar se hardware quântico tolerante a falhas está pronto para aplicações práticas, com foco em comparações entre plataformas, e não em uma métrica restrita a um fornecedor. 122

O que muda para a pesquisa quântica

O anúncio não significa que a computação quântica tolerante a falhas esteja resolvida. A relevância do CUDA-Q Logical está em criar uma camada extensível para explorar o espaço de decisões entre a aplicação e a máquina física.

Para quem desenvolve sistemas de qubits lógicos, a pergunta não é apenas qual tecnologia de qubit é melhor. É se a combinação completa de algoritmo, código de QEC, compilador, arquitetura, controle e aceleração clássica consegue atingir uma meta aceitável de recursos e desempenho. O CUDA-Q Logical foi projetado para tornar essa análise mais fácil de modelar, comparar e verificar. 124

Disponibilidade

O CUDA-Q Logical está disponível no projeto open source CUDA-Q, no GitHub. A página de desenvolvedores da NVIDIA também indica a instalação do CUDA-Q via Python:

pip install cudaq

As notas de lançamento do projeto identificam o CUDA-Q Logical como uma camada lógica aberta e extensível para computação quântica tolerante a falhas. 182437