Анализ необходимости суперкомпьютеров для квантовых вычислений

Команда исследователей из Amazon Web Services (AWS), Nvidia, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и NASA разработала новую модель, позволяющую оценить, как квантовые процессоры взаимодействуют с классическими суперкомпьютерами. Эта модель поможет определить, когда квантовое оборудование должно быть расположено рядом с высокопроизводительной вычислительной инфраструктурой, а когда для его работы достаточно удаленного доступа через облачные сервисы. Исследователи выделили два уровня взаимодействия: первый уровень включает управление оборудованием в реальном времени, что необходимо для калибровки физических кубитов и обработки данных для коррекции квантовых ошибок. Второй уровень охватывает гибридные алгоритмы, в которых классический и квантовый компьютеры поочередно выполняют свои части расчетов. В случае коррекции ошибок классическая система анализирует контрольные измерения и определяет, какие сбои нужно исправить, требуя прямой связи с минимальной задержкой, поскольку удаленное подключение через стандартные сети будет недостаточным. Вторая категория задач, в которой задержка не так критична, позволяет использовать облачный доступ к квантовому устройству. Авторы исследования проанализировали время выполнения гибридного алгоритма, разделив его на классические вычисления, работу квантового процессора и обмен данными. Если основное время цикла уходит на обработку информации, сокращение сетевой задержки не приводит к значительному ускорению расчета. Однако для алгоритмов, требующих частого обмена данными, быстрая связь становится критически важной. Например, при использовании квантовой диагонализации на основе выборок (SQD) с 77 кубитами процессора IBM Heron основное время занимала классическая обработка, и удаленного доступа было вполне достаточно. В отличие от этого, метод Монте-Карло с квантовым ускорением (QE-MCMC), протестированный на 10-кубитном устройстве IBM, требует частых последовательных обменов, что приводит к увеличению коммуникационных издержек в 1000 раз при удаленном доступе. Тем не менее, для выполнения этого алгоритма не требуется полноценный суперкомпьютер, достаточно небольшого классического контроллера с низкой задержкой соединения. С переходом к логическим кубитам и отказоустойчивым квантовым компьютерам будет увеличиваться роль классической инфраструктуры, поскольку она должна будет обрабатывать измерения, обнаруживать ошибки и отправлять корректирующие команды. Это означает, что скорость классической части начнет определять темп работы квантового компьютера. Исследователи предполагают, что крупные отказоустойчивые установки будут требовать более тесной интеграции с высокопроизводительными вычислительными системами, и подчеркивают, что нет универсальной архитектуры, так как требования зависят от алгоритма, характеристик оборудования, количества обменов и объема данных. Они предлагают применять свою модель для регулярной переоценки инфраструктуры по мере эволюции квантовых процессоров и вычислительных методов. Важно отметить, что в июле Nvidia открыла код ИИ-модуля для предварительной обработки сигналов квантовых ошибок, который в симуляции с классическим декодером смог снизить частоту логических сбоев и ускорить обработку.