Основные выводы:
- Центр квантовых наук (QSC) Министерства энергетики США при Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL), компании IBM и AMD развернули платформу совместного проектирования для квантовой коррекции ошибок (QEC) на площадке IBM в Покипси, штат Нью-Йорк.
- Платформа совместного проектирования QEC объединяет квантовые процессоры IBM Quantum Nighthawk r2 с высокопроизводительной вычислительной системой (HPC) Umbra от ORNL, включающей графические процессоры AMD Instinct MI355X и процессоры AMD EPYC™ 5-го поколения.
- Исследователи могут использовать эту платформу для разработки и проверки квантовых алгоритмов, рабочих процессов и приложений для гибридных сред HPC-квантовых вычислений, не создавая инфраструктуру самостоятельно.
- Квантовая коррекция ошибок зависит от декодеров — классического программного обеспечения, которое выявляет ошибки кубитов и должно работать синхронно с квантовым процессором.
- Размещение оборудования ORNL рядом с квантовыми процессорами IBM обеспечивает системе выполнение квантово-классических операций с низкой задержкой.
Ок-Риджская национальная лаборатория (ORNL), IBM и AMD запустили платформу совместного проектирования для квантовой коррекции ошибок, чтобы помочь исследователям определить и ускорить классические и квантовые рабочие процессы для научно значимых квантовых вычислений.
Платформа совместного проектирования для квантовой коррекции ошибок (QEC) расположена на площадке IBM в Покипси, штат Нью-Йорк, и была запущена при участии Центра квантовых наук (QSC) Министерства энергетики США при ORNL и компании AMD в качестве первых партнеров. Она объединяет квантовые процессоры IBM Quantum Nighthawk с Umbra, высокопроизводительной вычислительной системой QSC, состоящей из графических процессоров AMD Instinct MI355X и процессоров AMD EPYC™ 5-го поколения, в единой среде, связанной с более широкой суперкомпьютерной экосистемой ORNL.
Эта инициатива объединяет вычислительную инфраструктуру, необходимую для квантовой коррекции ошибок, в единой среде и открывает к ней доступ для большего числа исследователей, чем когда-либо прежде. Они будут использовать ее для разработки и проверки квантовых алгоритмов, рабочих процессов и приложений в среде, предназначенной для квантово-ориентированных супервычислений — новой парадигмы, в которой квантовые процессоры, центральные и графические процессоры работают как единая система. Платформа берет на себя управление инфраструктурой, поэтому исследователи могут сосредоточиться на поиске алгоритмов.
Платформа совместного проектирования для квантовой коррекции ошибок
Эта платформа опирается на существующее сотрудничество между IBM и AMD, включая использование графических процессоров AMD для ускорения квантовой диагонализации на основе выборок и демонстрацию эффективного декодирования квантовых ошибок на оборудовании AMD. В рамках сотрудничества также будет изучаться, как будущие поколения вычислительных мощностей, сетевых технологий и открытого программного обеспечения AMD могут совместно проектироваться с квантовыми компьютерами.
Как платформа совместного проектирования будет способствовать развитию исследований в области квантовых вычислений
Кубиты, фундаментальные единицы квантовых вычислений, подвержены ошибкам. Квантовая коррекция ошибок защищает от них. Коды коррекции ошибок распределяют информацию между множеством кубитов и проводят повторяющиеся проверки на наличие признаков сбоев. Классический компьютер считывает данные каждого раунда проверок и вычисляет, какие ошибки произошли. Исследователи называют программное обеспечение, выполняющее эту задачу, декодером, и оно должно успевать за квантовым процессором. Это динамичная, требовательная и вычислительно интенсивная задача.
Алгоритмы, которые сделают квантовые вычисления научно полезными, требуют значительных ресурсов классических вычислений, работающих в тандеме с квантовыми процессорами. Сегодня квантовые компьютеры и инфраструктура высокопроизводительных вычислений (HPC) редко находятся в одном месте или напрямую интегрированы. Это означает, что исследователям, работающим над гибридными рабочими процессами, часто приходится самостоятельно связывать эти компоненты. Они получают доступ к квантовому компьютеру через облако, запускают классические задачи на отдельных системах и соединяют их через отдельные интерфейсы прикладного программирования (API) — программные связки, позволяющие одной системе взаимодействовать с другой. Каждая передача данных добавляет сложности и задержки, а также ограничивает эксперименты, которые могут проводить исследователи.
Коррекция ошибок закладывает основу для практически значимых квантовых вычислений. Ее ценность заключается в том, что она открывает путь к более масштабным, глубоким и мощным квантовым вычислениям. Платформа совместного проектирования QEC позволяет исследователям тестировать коррекцию ошибок на реальных квантовых системах в рамках тех рабочих процессов, которые она будет обслуживать. Она также позволяет исследователям более широко изучать использование графических процессоров для декодирования с низкой задержкой.
Одним из перспективных подходов является иерархическая коррекция ошибок, и платформа может поддержать исследования в этом направлении. Иерархический подход использует два уровня кодов. Внутренний код защищает кубиты внутри модуля. Внешний код охватывает логические кубиты внутреннего кода и добавляет второй уровень защиты. Собственные логические операции внутреннего кода обеспечивают дальние связи, необходимые внешнему коду, поэтому сам код обеспечивает дополнительную защиту, а чип остается более простым.
Недавнее исследование IBM показало, что этот подход может достичь триллиона логических операций при физической частоте ошибок один на тысячу. Эти иерархические коды опираются на мощные классические вычисления. Декодирование происходит на каждом уровне, а результаты одного уровня передаются на следующий. Платформа совместного проектирования дает исследователям возможность тестировать и развивать эти идеи с помощью графических процессоров в среде с низкой задержкой.
Благодаря наличию квантовых и классических компонентов в общей среде, платформа совместного проектирования позволит исследователям изучать квантово-классические рабочие процессы с использованием классических вычислительных мощностей, от которых зависят эти процессы, без необходимости самостоятельно создавать такую инфраструктуру. Они могут разрабатывать, тестировать и совершенствовать квантовые алгоритмы, исследовать подходы к коррекции ошибок и получать раннее представление о том, что потребуется от будущих машин с коррекцией ошибок. Эти знания помогут сформировать архитектуры, программное обеспечение и рабочие процессы, которые будут способствовать развитию будущих систем.
Платформа соответствует миссии Genesis Министерства энергетики США, целью которой является развертывание научно значимого квантового компьютера к 2028 году. Эксперименты уже позволили запустить до 70 логических кубитов — кубитов, защищенных коррекцией ошибок — через 438 сложных операций. Конкурс Q в рамках миссии Genesis нацелен на достижение 100 логических кубитов, выполняющих 100 000 таких операций к концу 2028 года. Это примерно 230-кратный скачок.
Как работает платформа
Платформа использует самое передовое оборудование от IBM и AMD.
С квантовой стороны представлены процессоры Nighthawk r2. Они способны выполнять схемы, недоступные для классического моделирования методом грубой силы. Nighthawk предоставляет исследователям коррекции ошибок связность по квадратной решетке — самую высокую связность среди всех современных архитектур квантовых процессоров IBM, — высокую пропускную способность схем и управление импульсами в реальном времени. Исследователи могут измерять кубиты в процессе вычислений, реагировать на результаты в реальном времени и работать непосредственно с необработанными сигналами измерений. Это позволяет командам сравнивать требования каждого метода коррекции ошибок к количеству кубитов, времени и классическим вычислениям, а также находить области, где графические процессоры AMD приносят наибольшую пользу.
Что касается классической части, Umbra объединяет графические ускорители AMD Instinct MI355X от ORNL со специализированными процессорами AMD EPYC™ 5-го поколения. Графические процессоры позволяют исследователям обучать и оценивать декодеры в больших масштабах, а также изучать подходы к исправлению ошибок, которые могут сделать будущие системы более эффективными. Вся эта работа ляжет в основу разработки IBM Quantum Starling — отказоустойчивого квантового компьютера, который IBM планирует выпустить к 2029 году.
Поскольку классические вычислительные мощности расположены рядом с квантовыми процессорами, система оптимизирована для квантово-классического выполнения с низкой задержкой, что обеспечивает минимальные задержки при передаче данных между ними. Низкая задержка важна для декодирования и условного выполнения, когда квантовая программа выбирает следующую операцию на основе измерения, выполненного в процессе вычислений. Такая быстрая обратная связь будет поддерживать рабочие процессы, подобные тем, что требуются для иерархических кодов.
Это и есть квантово-центричные супервычисления в действии.
