Компания NVIDIA интегрировала новый уровень оркестрации CUDA-Q Logical в свою открытую платформу CUDA-Q. Это решение предназначено для проектирования приложений, работающих на базе отказоустойчивых квантовых компьютеров. Инструмент позволяет одновременно моделировать квантовые алгоритмы, коды коррекции ошибок и аппаратные архитектуры, помогая исследователям находить оптимальные конфигурации для использования логических кубитов.
Результаты внедрения в Fermilab и Iceberg Quantum
Первые данные об использовании CUDA-Q Logical показывают значительную эффективность при проектировании квантовых систем. Специалисты Фермилаб (Fermilab) сообщили, что новый инструмент позволил сократить цикл разработки отказоустойчивого алгоритма с пяти месяцев до трех недель, что эквивалентно семикратному ускорению. По словам Анны Грасселлино, технического директора Fermilab и директора Центра сверхпроводящих квантовых материалов и систем, команда смогла оценить комбинации различных аппаратных ресурсов и требований к кубитам в сжатые сроки, заменив создание специализированной инфраструктуры на верифицируемый вычислительный рабочий процесс.
Другой важный результат был получен компанией Iceberg Quantum. С помощью CUDA-Q Logical специалисты смоделировали архитектуру Pinnacle для коррекции ошибок на базе кремниевых спиновых кубитов от Diraq. Моделирование показало, что архитектура Pinnacle может работать на аппаратном обеспечении Diraq, требуя 150 000 физических кубитов для реализации 1 000 логических кубитов. Это значение в 10 раз меньше предыдущих оценок компании, что, по словам генерального директора Diraq Эндрю Дзурака, представляет собой значительный прогресс в прогнозируемой производительности устройств.
Интеграция бенчмарка QUOPS и экосистема NVIDIA
Одновременно с запуском CUDA-Q Logical компания NVIDIA добавила в платформу эталонную реализацию QUOPS — аппаратного агностического бенчмарка от Sandia National Laboratories. Этот инструмент предназначен для оценки прогресса в достижении отказоустойчивых квантовых вычислений, выходящих за рамки простых метрик количества кубитов, точности вентилей и времени когерентности. Использование QUOPS позволяет оценивать готовность системы к решению практически значимых задач.
В рамках развития квантового стека NVIDIA также отметила достижения других партнеров и исследовательских групп:
- Компания Diraq использовала платформу NVIDIA Ising для калибровки своего процессора на кремниевых кубитах.
- Anyon Computing, Quandela и Quantum Machines применили открытую архитектуру NVQLink для интеграции квантовых процессоров (QPU) с графическими суперкомпьютерами.
- IonQ заявила о прогрессе в разработке квантового генеративного ИИ-фреймворка DQAOA-GPT.
- Исследователи из MITRE опубликовали работу по созданию цифровых двойников квантовых сенсоров, ускоренных с помощью GPU.
- Phasecraft использует библиотеку cuQuantum для формирования обширной базы данных молекул, созданной с помощью вариационного квантового решателя (VQE).
На данный момент CUDA-Q Logical доступен на платформе GitHub, а эталонная реализация QUOPS включена в состав инструментов CUDA-Q.
Новая платформа призвана решить главную проблему современной индустрии — так называемый «узкое место совместного проектирования» (codesign bottleneck). Полноценные отказоустойчивые процессоры на логических кубитах критически необходимы для прорывов в таких областях, как разработка лекарств, финансовое моделирование и материаловедение, поскольку они способны нивелировать ошибки, свойственные базовым физическим кубитам. Однако создание приложений для подобных систем требует одновременного балансирования между самим алгоритмом, кодом коррекции ошибок, аппаратной архитектурой и остальными элементами квантового процессора (QPU). Как отмечают в NVIDIA, изменение любого из этих параметров способно кардинально изменить требования приложения к вычислительным ресурсам. CUDA-Q Logical позволяет исследователям описывать все эти компоненты в едином ключе и оперативно переключаться между опциями, подбирая конфигурацию с наилучшими показателями производительности для логических кубитов.
Тимоти Коста (Timothy Costa), вице-президент и генеральный директор направления квантовых вычислений в NVIDIA, подчеркнул важность релиза: «Квантовые вычисления переходят в эру логических кубитов, и исследователям необходима открытая настраиваемая платформа, способная представлять все аспекты отказоустойчивой системы». Помимо Fermilab и Iceberg Quantum, в список разработчиков и лабораторий, уже внедривших новый инструмент, NVIDIA также внесла Infleqtion, IQM Quantum Computers, QCDesign, Quantum Motion и Sandia National Laboratories.
Технические детали подхода Iceberg Quantum и архитектуры Pinnacle
В основе результатов Iceberg Quantum лежит кремниевая спиновая кубитная архитектура от компании Diraq, на которую была спроецирована архитектура Pinnacle с помощью CUDA-Q Logical. Pinnacle представляет собой код для квантовой проверки на четность с малой плотностью (qLDPC) — семейство кодов, которое обещает значительно меньшие накладные издержки по сравнению с традиционным поверхностным кодом (surface code), однако традиционно считается более требовательным к сложности аппаратной базы.
Согласно технической документации Diraq, моделирование наглядно продемонстрировало жизнеспособность архитектуры Pinnacle на существующем железе. Платформа не предъявляет к аппаратному обеспечению избыточных требований по сравнению с поверхностными кодами: нелокальные связи здесь локализованы в пределах модульных процессорных блоков, а графики перемещения кубитов (qubit shuttling) настроены таким образом, что процесс шаттлинга вносит в общий бюджет ошибок не больше искажений, чем стандартные физические вентили. В результате итоговые показатели физических кубитов с учетом ограничений железа отклонились менее чем на 5% от первоначальных расчетов в исходной научной работе по Pinnacle. Именно эта точность позволила выйти на искомые 1 000 логических кубитов на базе 150 000 физических, что отражено в новом белом документе Diraq «The Case for Silicon» и примерно в 10 раз превосходит прежние прогнозы компании. Генеральный директор Diraq Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak) охарактеризовал это достижение как скачок производительности устройств на целый порядок.
Роль бенчмарка QUOPS от Sandia National Laboratories
Появление эталонной реализации QUOPS (кроссплатформенного и аппаратно-независимого бенчмарка, разработанного в Sandia National Laboratories) непосредственно в составе платформы CUDA-Q призвано изменить подход к оценке индустриальных успехов. Исторически отрасль измеряла свой прогресс преимущественно по метрикам физического уровня: количеству физических кубитов, точности логических вентилей (gate fidelity) и времени когерентности. В свою очередь, QUOPS оценивает, насколько близко конкретная система подошла к запуску практически полезных рабочих нагрузок в условиях отказоустойчивости.
Накануне мероприятия IEEE Quantum Week специалисты Sandia опубликовали препринт с первыми результатами тестирования по методологии QUOPS для квантовых процессоров производства Google, IBM и Quantinuum. Тимоти Проктор (Timothy Proctor), содиректор Лаборатории квантовой производительности в Sandia, отметил актуальность инициативы: «Мы создали QUOPS именно для этого, и мы рады видеть, что он используется поставщиками и заказчиками квантовых вычислений» для отслеживания и прогнозирования роста возможностей таких вычислительных систем.
Расширение экосистемы квантовых суперкомпьютеров NVIDIA
Параллельно с релизом CUDA-Q Logical компания NVIDIA подвела промежуточные итоги широкого внедрения других решений своего специализированного стека:
- NVIDIA Ising: первая линейка открытых моделей для создания и развертывания искусственного интеллекта в целях практических квантовых вычислений, которую Diraq задействовала для калибровки своего кремниевого процессора.
- NVQLink: открытая архитектура для связывания квантовых процессоров (QPU) с мощными графическими суперкомпьютерами. Помимо Anyon Computing, Quandela и Quantum Machines (последняя уже продемонстрировала рабочую интеграцию в Израильском центре квантовых вычислений), к инициативе подключились и другие участники рынка.
- Прочие партнеры: исследовательские группы из UCLA и Caltech ведут работу над управляющими последовательностями, необходимыми для исполнения сложных квантовых алгоритмов.
Появление программного уровня CUDA-Q Logical гармонично вписывается в общую хронологию развития аппаратных платформ, за которыми внимательно следит технологическое сообщество. Это включает в себя долгосрочный план IBM по созданию полностью отказоустойчивой машины к 2029 году, а также внедрение 120-кубитного процессора Nighthawk r2 в вычислительном центре CSCS. На сегодняшний день инструментарий CUDA-Q Logical уже открыт для широкой аудитории на GitHub, эталонный код бенчмарка QUOPS поставляется прямо «из коробки» вместе с CUDA-Q, а официальный репозиторий бенчмарков от Sandia опубликован независимым образом.
