Einführung in den Azure Quantum Resource Estimator

In diesem Artikel wird der Azure Quantum Resource Estimator vorgestellt, ein leistungsstarkes Open-Source-Tool , mit dem Sie die Ressourcen schätzen können, die zum Ausführen eines Quantenprogramms auf einem Quantencomputer erforderlich sind.

Was ist der Azure Quantum Resource Estimator?

Der Azure Quantum Resource Estimator ist ein Open-Source-Tool , mit dem Sie die Ressourcen schätzen können, die zum Ausführen eines bestimmten Quantenalgorithmus auf einem fehlertoleranten Quantencomputer erforderlich sind.

Tipp

Der Azure Quantum Resource Estimator ist kostenlos und erfordert kein Azure-Konto.

Der Ressourcenstimator stellt die Gesamtzahl der physischen und logischen Qubits, die Laufzeit sowie Details der Formeln und Werte bereit, die für jede Schätzung verwendet werden. Dies bedeutet, dass die Algorithmusentwicklung in den Fokus rückt, mit dem Ziel, die Leistung zu optimieren und die Kosten zu senken. Mit dem Azure Quantum Resource Estimator können Sie Qubit-Technologien, Quantenfehlerkorrekturschemas und andere Hardwaremerkmale vergleichen, um zu verstehen, wie sich diese auf die für die Ausführung eines Quantenprogramms benötigten Ressourcen auswirken.

Sie können mit bekannten, vordefinierten Qubitparametereinstellungen und QEC-Schemas (Quantum Error Correction) beginnen oder eindeutige Einstellungen für eine Vielzahl von Computermerkmalen konfigurieren, z. B. Vorgangsfehlerraten, Betriebsgeschwindigkeiten, Fehlerkorrekturschemas und Schwellenwerte.

Warum ist die Ressourcenschätzung bei der Entwicklung des Quantencomputings wichtig?

Obwohl Quantencomputer versprechen, wichtige wissenschaftliche und kommerzielle Probleme zu lösen, erfordert das Erreichen der kommerziellen Lebensfähigkeit große, fehlertolerante Quantencomputer, die sowohl eine große Anzahl von Qubits in der Überlagerung als auch physische Fehlerraten unter einem bestimmten Schwellenwert aufweisen. Die wirtschaftliche und wissenschaftliche Tragfähigkeit erfordert auch QEC-Systeme, um Fehlertoleranz zu erreichen. QEC ist zeit- und platzintensiv und erfordert eine höhere Ausführungszeit für Vorgänge auf Algorithmus- oder logischer Ebene sowie zusätzliche physische Qubits zum Speichern und Berechnen von Informationen.

Mit dem Resource Estimator können Sie die Auswirkungen von Architekturentwurfsentscheidungen und Quantenfehlerkorrekturschemas nachvollziehen. Der Resource Estimator hilft Ihnen zu verstehen, wie viele Qubits zum Ausführen einer Anwendung benötigt werden, wie lange die Ausführung dauert und welche Qubittechnologien besser zum Lösen eines bestimmten Problems geeignet sind. Wenn Sie diese Anforderungen verstehen, können Sie Quantenlösungen vorbereiten und verfeinern, die auf zukünftigen, skalierten Quantencomputern ausgeführt werden.

Welche Features machen den Resource Estimator einzigartig?

Der Resource Estimator ist ein leistungsstarkes Tool, das alle Ebenen des Quantencomputing-Stapels umfasst. Der Quantencomputingstapel kann in drei Ebenen unterteilt werden: die Anwendungsebene, die Quantenprogrammierungs- oder Kompilierungsebene und die Hardware- oder Modellierungsebene.

Mit dem Resource Estimator können Sie die Parameter jeder Ebene anpassen und analysieren, wie sich diese auf die gesamtressourcen auswirken, die zum Ausführen eines Quantenprogramms benötigt werden.

Anpassung

Sie können den Ressourcenstimator anpassen und die Eigenschaften Ihres Quantensystems angeben. Sie können die vordefinierten target Parameter verwenden oder an Ihre Anforderungen anpassen. Weitere Informationen finden Sie unter Anpassen von Ressourcenschätzungen an Computermerkmale.

Zielparameter	Beschreiben Ihres Systems
Physisches Qubitmodell	Geben Sie z. B. den Befehlssatz, die Qubit-Messzeit, die Fehlerraten oder die Gatezeiten an.
Quantenfehlerkorrekturschema	Geben Sie beispielsweise die Anzahl der physischen Qubits pro logischem Qubit, die logische Zykluszeit oder den Schwellenwert für die Fehlerkorrektur an.
Fehlerbudget	Geben Sie beispielsweise das Fehlerbudget an, um logische Qubits, T-Zustandsdestillation und Synthese der Rotationsgates zu implementieren.
Destillationseinheiten	Geben Sie beispielsweise die Anzahl der für den Destillationsprozess erforderlichen T-Zustände, die Anzahl der T-Zustände an, die als Ausgabe des Destillationsprozesses erzeugt werden, oder die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Destillationsprozesses.
Einschränkungen	Geben Sie beispielsweise die maximale Anzahl physischer Qubits, die maximale Laufzeit oder die maximale Anzahl von T Factory-Kopien an.

Flexibilität

Sie können Ihre eigenen Code- und Kompilierungstools für den Resource Estimator verwenden. Der Resource Estimator unterstützt jede Sprache, die in QIR übersetzt wird, z. B. Q# und Qiskit. Weitere Informationen finden Sie unter Verschiedene Methoden zum Ausführen des Ressourcenstimators.

Batch für mehrere Schätzungen

Mit dem Resource Estimator können Sie die Ressourcen schätzen, die zum Ausführen desselben Quantenalgorithmus für verschiedene Konfigurationen von target Parametern erforderlich sind, und die Ergebnisse vergleichen. Auf diese Weise können Sie verstehen, wie sich die Qubitarchitektur, das QEC-Schema und die target restlichen Parameter auf die Gesamtressourcen auswirken.

Optimization

Sie können die Ausführungszeit des Resource Estimators reduzieren, indem Sie einige Schätzungen in die Gesamtkosten einbeziehen. Wenn Sie beispielsweise mit einem großen Programm arbeiten, können Sie die Kosten von Unterroutinen berechnen und zwischenspeichern, oder wenn Sie bereits Schätzungen für einen Vorgang kennen , können Sie sie an den Resource Estimator übergeben.

Visualisierung von Ressourcen

Sie können die Kompromisse zwischen der Anzahl der physischen Qubits und der Laufzeit des Algorithmus mithilfe des Raumzeitdiagramms visualisieren, mit dem Sie die optimale Kombination von {number of qubits, runtime}-Paaren finden können.

Sie können auch die Verteilung der physischen Qubits überprüfen, die für den Algorithmus und die T-Fabriken verwendet werden, indem Sie das Raumdiagramm verwenden.

Erste Schritte mit dem Resource Estimator

Der Resource Estimator ist Teil des Azure Quantum Development Kit (Modern QDK). Informationen zu den ersten Schritten finden Sie unter Ausführen Ihrer ersten Ressourcenschätzung.

Die folgende Tabelle zeigt verschiedene Benutzerszenarien und die empfohlenen Artikel, um mit dem Resource Estimator zu beginnen.

Benutzerszenario	Zweck
Ich entwicke QEC-Codes	Sie können den Resource Estimator verwenden, um Ihre QEC-Codes anzupassen und verschiedene Kombinationen von Parametern zu vergleichen. Weitere Informationen finden Sie unter Anpassen Ihrer QEC-Schemas.
Ich entwicke Quantenalgorithmen	Indem Sie die Auswirkungen verschiedener Konfigurationen von Hardware- und Softwareprofilen auf die Ressourcenanforderungen analysieren, können Sie Einblicke in die Leistung Ihres Quantenalgorithmus unter unterschiedlichen Hardware- und Fehlerbedingungen gewinnen. Diese Informationen können Ihnen helfen, Ihren Algorithmus für bestimmte Quantenhardware oder Fehlerraten zu optimieren. Weitere Informationen finden Sie unter Ausführen mehrerer Konfigurationen von target Parametern.
Ich möchte die Leistung von Quantenprogrammen verbessern	Informationen zum Nutzen der Leistungsfähigkeit des Ressourcenstimators finden Sie unter Ausführen großer Programme und Verwenden bekannter Schätzungen.
Ich interessiere mich für das großflächige Quantencomputing	Sie können den Resource Estimator verwenden, um die Ressourcen realer Probleme zu analysieren, die von großflächigen fehlertoleranten Quantencomputern gelöst werden sollen. Weitere Informationen finden Sie unter Ressourcenschätzung für umfangreiches Quantencomputing.
Ich entwicke quantensichere Kryptografie	Sie können den Resource Estimator verwenden, um die Leistung verschiedener Verschlüsselungsalgorithmen, Schlüsselstärken, Qubittypen und Fehlerraten und deren Resilienz gegenüber Quantenangriffen zu vergleichen. Siehe Ressourcenschätzung und Kryptografie.

Hinweis

Wenn beim Arbeiten mit dem Resource Estimator ein Problem aufgetreten ist, lesen Sie die Seite Problembehandlung.

Ressourcenschätzung für großflächige Quantencomputings

Wenn Sie Quantenalgorithmen für große Quantencomputer entwickeln möchten, lesen Sie das Tutorial Schätzen der Ressourcen eines Quantenchemieproblems .

Dieses Tutorial stellt einen ersten Schritt zur Integration der Ressourcenschätzung von Quantenlösungen in elektronische Strukturprobleme dar. Eine der wichtigsten Anwendungen von skalierten Quantencomputern ist die Lösung von Quantenchemieproblemen. Die Simulation komplexer quanten-mechanischer Systeme hat das Potenzial, Durchbrüche in Bereichen wie Kohlenstoffabscheidung, Ernährungsunsicherheit und entwicklung besserer Brennstoffe und Materialien zu erzielen.

Einer der Hamiltonianer, der in diesem Tutorial verwendet wird, der nitrogenase_54orbital, beschreibt beispielsweise das Enzym Nitrogenase. Wenn Sie genau simulieren könnten, wie dieses Enzym auf Quantenebene funktioniert, könnte es uns helfen, zu verstehen, wie es im großen Stil produziert werden kann. Sie könnten den hoch energieintensiven Prozess ersetzen, der verwendet wird, um genug Dünger zu produzieren, um den Planeten zu ernähren. Dies hat das Potenzial, den globalen CO2-Fußabdruck zu verringern und auch dazu beizutragen, Bedenken hinsichtlich der Ernährungsunsicherheit in einer wachsenden Bevölkerung auszuräumen.