Os computadores quânticos prometem saltos revolucionários no poder de processamento, mas vêm com uma complexidade igualmente monumental. Para a maioria dos usuários, especialmente aqueles fora dos ambientes de pesquisa, acessar o hardware quântico ainda parece navegar em um labirinto de ferramentas de baixo nível de pesquisa, rotinas de calibração desajeitadas e soluções parciais de tratamento de erros gerenciáveis apenas por um grupo seleto de especialistas.

À medida que observamos uma transição do hardware de computação quântica de laboratórios de pesquisa para data centers, como essa experiência do usuário pode cumprir a verdadeira promessa da tecnologia?

Em nosso último artigo sobre data center quântico, apresentamos a resposta. Precisamos ir além de considerar apenas o hardware "bare metal" e construir os mesmos tipos de camadas de abstração que tornam a computação clássica acessível ao mundo. Aqui, vamos nos aprofundar e mostrar como essa mudança já está em andamento.

Hoje, os fornecedores de hardware quântico fornecem amplamente mecanismos de computação "bare metal", acompanhados apenas pelo software necessário para executar tarefas de baixo nível. Isso cria um problema urgente na computação quântica porque as máquinas não são apenas incrivelmente complexas de usar, mas também inerentemente frágeis, sofrendo de erros de hardware. Esses erros se manifestam como algoritmos com falha sem qualquer aviso claro de um problema - o problema é simplesmente endêmico para as próprias QPUs e, em geral, é deixado para o usuário resolver.

Assim, na maioria dos ambientes de pesquisa, os desenvolvedores individuais são responsáveis pela implantação de soluções para estabilizar o hardware e combater erros como parte da execução de suas cargas de trabalho computacionais. No entanto, isso requer ampla experiência em computação quântica e física quântica em nível de doutorado; é o modelo de usuários finais cientistas, não uma ampla adoção comercial.

Sem uma grande mudança, qualquer pessoa que queira aproveitar a computação quântica fornecida no data center enfrentará uma grande pressão para aprimorar as tarefas de gerenciamento de hardware necessárias. Eles são forçados a concluir a inicialização orientada por especialistas, intervenções frequentes para manter o desempenho adequado e implantar ferramentas personalizadas para permitir que os usuários executem cargas de trabalho úteis com o gerenciamento de desempenho integrado correto. Esse é um imposto significativo para o usuário para tirar proveito de uma nova tecnologia e provavelmente representa uma barreira intransponível para a maioria dos candidatos a adotantes iniciais.

Em vez disso, os operadores de data center focados em fornecer o máximo valor aos usuários finais podem aliviar significativamente esse fardo adicionando a abstração de software certa aos computadores quânticos.

O Quantum Infrastructure Software oferece essa abstração essencial, transformando QPUs bare-metal em dispositivos úteis, da mesma forma que os fornecedores de data center integram software de virtualização para seus sistemas convencionais. As ofertas atuais abrangem todas as funções normalmente associadas ao BIOS clássico até os hipervisores de máquina virtual, estendendo-se às ferramentas de desenvolvedor no nível do aplicativo.

A abstração orientada por software da complexidade quântica dos usuários finais permite que qualquer pessoa, independentemente de sua experiência quântica, aproveite a computação quântica para os problemas que mais importam para eles. Aqui, identificamos três áreas principais em que a abstração pode gerar enormes dividendos, com soluções disponíveis hoje para implementar essa abstração:

Manutenção de hardware abstrata

A primeira complexidade quântica que os usuários devem superar é a manutenção e calibração do dispositivo; Esses dispositivos sensíveis e temperamentais precisam de atenção contínua para manter seu desempenho em padrões aceitáveis. Ao contrário do hardware de computador tradicional, o hardware quântico é não determinístico e volátil. Isso significa que uma simples rotina de etapas de calibração não é suficiente para colocar o hardware consistentemente em um estado utilizável.

Em vez disso, é necessário um processo muito mais adaptável. O software de calibração deve ser robusto o suficiente para navegar no espaço complexo de qubits, acopladores, ressonadores e muito mais para converter esses componentes discretos em um processador de informações quânticas orquestrado e de alto desempenho. Além disso, deve levar em consideração continuamente a influência barulhenta e em constante mudança do ambiente mais amplo. Tem que funcionar sempre com o "apertar de um botão"; Somente através da entrega de resultados repetíveis e de alta qualidade esse problema pode ser verdadeiramente abstraído do usuário.

Felizmente, o Boulder Opal do Q-CTRL permite essa experiência de inicialização de hardware totalmente autônoma. A partir de uma inicialização a frio, o pacote "inicializará automaticamente" o dispositivo, ajustará o desempenho máximo e será recalibrado periodicamente para manter o sistema estável e com desempenho, tudo sem intervenção do operador. Ele faz isso combinando anos de inteligência humana no controle com automação de IA informada pela física para oferecer desempenho máximo do sistema, sempre.

A autonomia nesse cenário economiza tempo e custos para os operadores de data center e HPC e relaxa a necessidade de ter especialistas em doutorado de plantão para ajustar o desempenho do sistema ou solucionar falhas inevitáveis do dispositivo. Ligue-o e, pouco tempo depois, o sistema está – e permanece – pronto para funcionar.

Execução de carga de trabalho abstrata no hardware

Com um computador quântico bem ajustado acessível, um usuário ainda deve executar muitas tarefas para extrair respostas úteis da QPU, em analogia com a necessidade de gerenciamento cuidadoso da memória necessária para obter aceleração prática com GPUs.

Mais importante ainda, ao executar uma carga de trabalho real, eles devem converter definições lógicas de "linguagem assembly" de alto nível de aplicativos quânticos em instruções de "linguagem de máquina" específicas de hardware que levam em conta os detalhes da QPU em uso e implantar contramedidas onde os erros podem vazar. Normalmente, essas são tarefas que só podem ser realizadas por especialistas (caros!) em operação de dispositivos quânticos.

O Fire Opal, novamente da Q-CTRL, é o primeiro e único pacote de software de infraestrutura que automatiza um pipeline abrangente de execução e supressão de erros para dar aos usuários a melhor chance de executar uma carga de trabalho bem-sucedida, sem necessidade de doutorado. Juntamente com o Boulder Opal, o Fire Opal pega a máquina inicializada automaticamente e implementa automaticamente a compilação (conversão de linguagem lógica para linguagem de máquina), juntamente com toda a tecnologia de redução de erros necessária, abordando erros em todos os lugares em que ocorrem: de portas individuais a circuitos complexos. Ele aceita um algoritmo lógico e gera as instruções de máquina otimizadas para cada família de QPU específica, completas com todas as contramedidas necessárias para evitar que erros se infiltrem.

Toda essa tecnologia, que comprovadamente melhora o desempenho bare-metal em milhares de vezes, é totalmente autônoma e invisível para o usuário.

O resultado dessa abstração é uma QPU que é "virtualizada" para que um usuário final possa simplesmente programar em um nível lógico e obter resultados úteis sem responsabilidade pelos detalhes da execução da carga de trabalho. Isso é muito semelhante à maneira como os hipervisores VMware quebram o vínculo entre um processador físico específico e um recurso computacional abstrato e traz oportunidades igualmente profundas para o desenvolvimento de aplicativos.

Abstrair completamente o computador quântico

O amadurecimento de testes de nível de pesquisa para a execução de cargas de trabalho significativas de computação quântica ainda requer muito esforço: design de algoritmos quânticos eficientes, roteamento/gerenciamento de dados quânticos, interface clássica/quântica para computação híbrida. A linguagem assembly eficaz normalmente usada para programar computadores quânticos - a representação do circuito quântico - é bastante inadequada para essas tarefas.

Agora, ao agrupar hardware quântico executando software de infraestrutura de gerenciamento de desempenho com ferramentas de desenvolvedor e módulos de aplicativos, a computação quântica pode ser abstraída até o nível do problema, expandindo drasticamente a acessibilidade e a utilidade.

Começando com uma QPU virtualizada executando software de infraestrutura quântica de gerenciamento de desempenho, as integrações de parceiros da Q-CTRL podem simplificar o design e a implantação algorítmica em escalas comercialmente relevantes. Os usuários podem automatizar o projeto de circuitos quânticos de acordo com um algoritmo quântico específico ou simplesmente programar seus problemas usando linguagens comuns como Python, enquanto as soluções de software intermediárias lidam com toda a compilação cruzada até a linguagem assembly, além de lidar com todo o pós-processamento e análise.

Como um exemplo concreto, o solucionador de otimização Fire Opal usa como entrada um problema de otimização matemática definido usando as mesmas entradas que os solucionadores clássicos como Gurobi ou CPlex. Depois que o problema é definido, o solucionador gera todos os circuitos quânticos relevantes, incorpora o gerenciamento de desempenho de redução de erros e orquestra o loop quântico/clássico híbrido. O usuário programa da mesma forma que resolveria um problema em hardware convencional, e todos os outros aspectos são invisivelmente abstraídos.

É computação quântica sem saber que você está usando um computador quântico!

Ao automatizar a calibração do sistema, otimizar a execução da carga de trabalho e permitir que os usuários finais programem no nível do problema, não no nível do circuito quântico, as soluções de software de infraestrutura quântica estão redefinindo o que significa usar um computador quântico. A era do acesso apenas especializado está dando lugar a uma ampla utilidade, graças às abstrações de software inteligentes que tornam a computação quântica acessível e poderosa.

Para saber mais sobre o Q-CTRL, visite https://q-ctrl.com.

Michael J. Biercuk, CEO e fundador da Q-CTRL, é coautor deste artigo.