CUDA-Q Logical: lớp mở mới của NVIDIA cho thiết kế hệ lượng tử chịu lỗi

NVIDIA đã công bố CUDA-Q Logical tại IEEE Quantum Week ở Toronto như một lớp điều phối mã nguồn mở mới trong nền tảng CUDA-Q. Mục tiêu của lớp này là giúp việc phát triển ứng dụng cho máy tính lượng tử chịu lỗi trở nên có thể lập trình và kiểm chứng hơn, với trọng tâm là qubit logic. 19

Qubit logic là qubit được bảo vệ nhờ ghép nhiều qubit vật lý cùng cơ chế sửa lỗi lượng tử (QEC). Đây được xem là điều kiện cần để chạy các phép tính lượng tử dài và đáng tin cậy, thay vì chỉ thực hiện những thử nghiệm ngắn trên phần cứng nhiều nhiễu.

Bài toán không thể tối ưu từng lớp riêng lẻ

Một hệ lượng tử chịu lỗi không đơn giản là chọn một thuật toán, rồi ghép thêm mã sửa lỗi và phần cứng phù hợp. Các lựa chọn này ràng buộc lẫn nhau: mã QEC ảnh hưởng số qubit vật lý cần dùng; kết nối giữa các qubit tác động đến cách biên dịch mạch; còn điều khiển thời gian thực và giải mã lỗi có thể làm thay đổi hiệu năng khi vận hành.

CUDA-Q Logical được thiết kế để đưa các đánh đổi đó vào cùng một quy trình thử nghiệm. Lớp logic cung cấp công cụ ngôn ngữ để mô tả, kết hợp các thành phần sửa lỗi lượng tử và ước tính tài nguyên cần thiết trên những kiến trúc hệ thống khác nhau. Nhờ vậy, nhóm phát triển có thể thay đổi cấu hình, so sánh kết quả và kiểm chứng thiết kế sớm hơn. 24

CUDA-Q ở lớp nền là nền tảng lai lượng tử–cổ điển, dùng để tích hợp và lập trình bộ xử lý lượng tử (QPU), GPU và CPU trong một hệ thống. 18

CUDA-Q Logical cho phép đánh giá những gì?

Theo NVIDIA, lớp mới hỗ trợ một quy trình phát triển có thể bao gồm:

• mô tả thuật toán chịu lỗi cùng các thao tác QEC;
• thử các mã QEC và phương án biên dịch khác nhau;
• mô hình hóa lựa chọn kiến trúc QPU và phần cứng;
• ước tính tài nguyên cho mục tiêu qubit logic; và
• so sánh đánh đổi giữa tài nguyên với hiệu năng trước khi chốt một cách triển khai. 124

Điều này không có nghĩa bài toán phần cứng đã được giải quyết. Giá trị thực tế của lớp điều phối là biến các giả định thiết kế thành những cấu hình có thể nêu rõ, mô phỏng và đối chiếu, thay vì tối ưu từng mảnh riêng rẽ.

Các kết quả và tích hợp được công bố

Những số liệu dưới đây thuộc về các quy trình, mô hình hoặc tích hợp cụ thể. Chúng không phải là một chuẩn đo thống nhất cho năng lực tính toán lượng tử chịu lỗi.

Fermilab: rút ngắn chu kỳ đánh giá thiết kế

Fermilab đã dùng CUDA-Q Logical trong quy trình phát triển kiến trúc chịu lỗi có thể lặp lại và kiểm chứng. NVIDIA cho biết thời gian phát triển đã giảm từ khoảng 5 tháng xuống còn 3 tuần, tương đương tăng tốc khoảng 7 lần. 1

Iceberg Quantum và Diraq: mô hình hóa tài nguyên qubit logic

Iceberg Quantum và Diraq đã mô hình hóa một kiến trúc nhắm đến 1.000 qubit logic từ khoảng 150.000 qubit vật lý silicon của Diraq. Đây là kết quả mô hình hóa và kiểm chứng kiến trúc, không phải tuyên bố rằng 1.000 qubit logic hiện đang hoạt động trên phần cứng đó. 121

Infleqtion: QEC qLDPC

Infleqtion đã tích hợp thư viện qLDPC mã nguồn mở với CUDA-Q Logical cho nghiên cứu QEC. Công ty cho biết đã xây dựng và kiểm chứng một mã sử dụng xấp xỉ 6 qubit dữ liệu vật lý cho mỗi qubit logic; theo công bố của họ, cách tiếp cận này có thể cần ít hơn tối đa 5 lần qubit dữ liệu vật lý so với các cách tiếp cận mã bề mặt phổ biến. So sánh này chỉ áp dụng cho phương pháp và giả định đã nêu, không phải con số chung cho mọi hệ chịu lỗi. 192031

Qedma: giảm thiểu lỗi cho quy trình Quantinuum

Qedma đã tích hợp công nghệ giảm thiểu lỗi QESEM vào CUDA-Q cho các quy trình hướng đến hệ thống Quantinuum. Giảm thiểu lỗi và sửa lỗi chịu lỗi là hai kỹ thuật khác nhau, nhưng sự tích hợp này cho thấy CUDA-Q có thể đóng vai trò điểm kết nối giữa thành phần phần mềm lượng tử và quy trình dành cho phần cứng cụ thể. 26

Quantum Machines: điều khiển lượng tử–cổ điển theo thời gian thực

Quantum Machines đã tích hợp năng lực cudaq-realtime của NVIDIA với Open Acceleration Stack. NVIDIA cho biết API này hỗ trợ các callback có độ trễ cấp microgiây giữa GPU và bộ điều khiển lượng tử, phục vụ các tác vụ gắn kết chặt giữa qubit đang hoạt động, GPU và CPU. 30

Sandia: chuẩn đánh giá mức sẵn sàng

Sandia National Laboratories đã đưa QUOPS lên CUDA-Q. NVIDIA mô tả đây là chuẩn đánh giá mức sẵn sàng của phần cứng lượng tử chịu lỗi đối với các ứng dụng thực tế; QUOPS hướng đến đối chiếu đa nền tảng thay vì chấm điểm phần cứng bằng một chỉ số riêng của một nhà cung cấp. 122

Vì sao bản phát hành này đáng chú ý?

CUDA-Q Logical không tuyên bố rằng máy tính lượng tử chịu lỗi đã trở thành hiện thực đại trà. Ý nghĩa của nó nằm ở việc tạo ra một lớp chung, có thể mở rộng để khám phá khoảng thiết kế phức tạp giữa ứng dụng và cỗ máy vật lý.

Với các nhóm theo đuổi hệ qubit logic, câu hỏi không chỉ là công nghệ qubit nào tốt nhất. Vấn đề là liệu tổ hợp hoàn chỉnh gồm thuật toán, mã QEC, trình biên dịch, kiến trúc, ngăn xếp điều khiển và năng lực tăng tốc cổ điển có đáp ứng được mục tiêu về tài nguyên lẫn hiệu năng hay không. CUDA-Q Logical hướng tới việc làm cho câu hỏi đó dễ mô hình hóa, so sánh và kiểm chứng hơn. 124

Cách tiếp cận

CUDA-Q Logical hiện là một phần của dự án CUDA-Q mã nguồn mở trên GitHub. Trang dành cho nhà phát triển của NVIDIA cũng nêu lệnh cài đặt CUDA-Q bằng Python:

pip install cudaq

Ghi chú phát hành trên GitHub xác định CUDA-Q Logical là lớp logic mở, có thể mở rộng cho tính toán lượng tử chịu lỗi. 182437