AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Nvidia opent CUDA-Q Logical voor foutbestendige kwantumcomputers
Chipmaker Nvidia breidt zijn gratis kwantumsoftware CUDA-Q uit met een nieuwe laag die onderzoekers helpt bij het ontwerpen van foutbestendige kwantumcomputers. Laboratoria als Fermilab en Sandia gebruiken de tool al om ontwerpen tot wel zeven keer sneller te testen, terwijl chipontwerper Iceberg Quantum er tienmaal minder hardware mee nodig bleek te hebben dan gedacht.
Kwantumcomputers zijn extreem gevoelig voor fouten. Om die fouten te onderdrukken, bundelen onderzoekers meerdere kwetsbare fysieke qubits tot één stabielere rekeneenheid: een logische qubit. Alleen met genoeg van die logische qubits wordt een fouttolerante kwantumcomputer bruikbaar voor taken als medicijnontwikkeling of materiaalonderzoek. Het probleem: elke aanpassing aan een algoritme, een foutcorrectiemethode of de chip zelf verandert meteen hoeveel hardware er nodig is. Dat ontwerpproces kostte tot nu toe maanden aan handmatig rekenwerk.
Nvidia probeert dat te versnellen met CUDA-Q Logical, een gratis, open source orchestratielaag die bovenop het bestaande CUDA-Q platform draait. De software laat onderzoekers verschillende combinaties van qubit-typen, foutcorrectiecodes en chipontwerpen razendsnel doorrekenen en met elkaar vergelijken. "Kwantumcomputing groeit toe naar een tijdperk van logische qubits, en onderzoekers hebben een open platform nodig dat elk aspect van een fouttolerant systeem kan doorrekenen," zegt Timothy Costa, vice president kwantum bij Nvidia.
Van vijf maanden naar drie weken
Het Amerikaanse deeltjesfysica-instituut Fermilab gebruikte de tool om bestaande resultaten te controleren en nieuwe combinaties van foutcorrectie en hardware te testen. Werk dat eerder ongeveer vijf maanden aan gespecialiseerde software kostte, was met CUDA-Q Logical in drie weken klaar, een versnelling van ongeveer zeven keer. "Fouttolerante kwantumcomputing is de weg naar nieuwe wetenschappelijke doorbraken, maar dat vereist dat algoritme, foutcorrectie, architectuur en hardware samen worden ontworpen," aldus Anna Grassellino, technisch directeur bij Fermilab.
Ook chipontwerper Iceberg Quantum profiteerde. Het bedrijf simuleerde met de software een fouttolerante architectuur voor de qubits van chipmaker Diraq, die werkt met qLDPC-codes om foutcorrectie efficiënter te maken. Daaruit bleek dat duizend logische qubits met slechts 150.000 fysieke qubits te bouwen zijn, ongeveer tien keer minder dan Diraq eerder zelf inschatte. Minder benodigde hardware betekent in potentie goedkopere en sneller te bouwen kwantumchips.
Eén gedeelde meetlat voor vooruitgang
Naast de ontwerptool introduceert het Amerikaanse Sandia National Laboratories een nieuwe benchmark genaamd QUOPS, die via CUDA-Q beschikbaar is. Waar de sector vooruitgang tot nu toe vooral meette in aantallen fysieke qubits, meet QUOPS hoe dicht systemen daadwerkelijk bij bruikbare, fouttolerante toepassingen komen. Sandia publiceerde de eerste testresultaten, met onder meer benchmarks voor kwantumchips van Google, IBM en Quantinuum, in een preprint voorafgaand aan de vakconferentie IEEE Quantum Week. Volgens Timothy Proctor, mede-directeur van Sandia's Quantum Performance Laboratory, moet de industrie zo'n gedeelde meetlat hebben om voortgang eerlijk te kunnen vergelijken en versnellen.
CUDA-Q Logical wordt inmiddels ook gebruikt door onder meer de onderzoeksinstellingen Infleqtion, IQM Quantum Computers, QCDesign en Quantum Motion. Zowel de software als de QUOPS-benchmark zijn gratis te vinden op GitHub.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Door het ontwerpen van fouttolerante kwantumchips te versnellen van maanden naar weken, kan de kwantumindustrie sneller schakelen tussen ontwerpen en zo eerder toewerken naar bruikbare toepassingen in bijvoorbeeld medicijnontwikkeling en materiaalonderzoek. De combinatie van een gedeeld ontwerpplatform en een onafhankelijke benchmark als QUOPS geeft de sector bovendien een eerlijkere manier om voortgang te meten, los van individuele hardwareleveranciers.
- Logische qubit
- Een stabiele rekeneenheid die is opgebouwd uit meerdere fysieke qubits, zodat fouten worden onderdrukt en betrouwbare berekeningen mogelijk worden.
- Fysieke qubit
- De daadwerkelijke, kwetsbare hardware-eenheid in een kwantumchip die informatie opslaat volgens de wetten van de kwantummechanica.
- Fouttolerante kwantumcomputer
- Een kwantumcomputer die dankzij foutcorrectie grote, betrouwbare berekeningen kan uitvoeren ondanks de inherente fouten van zijn onderdelen.
- Benchmark
- Een gestandaardiseerde test waarmee de prestaties van verschillende systemen eerlijk met elkaar vergeleken kunnen worden.
- qLDPC-code
- Een type foutcorrectiecode voor kwantumcomputers dat minder overtollige qubits nodig heeft dan oudere methoden, waardoor chips compacter kunnen worden.
- Orchestratielaag
- Software die meerdere onderdelen van een complex systeem, zoals algoritme, foutcorrectie en hardware, op elkaar afstemt en aanstuurt.
- Foutcorrectiecode
- Een wiskundige methode om fouten in kwantumberekeningen te detecteren en te herstellen zonder de onderliggende informatie te verliezen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
