Общие сведения о оценщике ресурсов Azure Quantum

В этой статье описывается оценщик ресурсов Azure Quantum— мощное средство с открытым кодом , которое позволяет оценить ресурсы, необходимые для запуска квантовой программы на квантовом компьютере.

Что такое оценщик ресурсов Azure Quantum?

Оценщик ресурсов Azure Quantum — это средство с открытым кодом , которое позволяет оценить ресурсы, необходимые для выполнения заданного квантового алгоритма на отказоустойчивом квантовом компьютере.

Совет

Оценщик ресурсов Azure Quantum предоставляется бесплатно и не требует учетной записи Azure.

Оценщик ресурсов предоставляет общее количество физических и логических кубитов, среду выполнения, а также подробные сведения о формулах и значениях, используемых для каждой оценки. Это означает, что основное внимание уделяется разработке алгоритмов с целью оптимизации производительности и снижения затрат. С помощью оценщика ресурсов Azure Quantum можно сравнить кубитные технологии, квантовые схемы коррекции ошибок и другие характеристики оборудования, чтобы понять, как они влияют на ресурсы, необходимые для запуска квантовой программы.

Вы можете начать с известных предварительно определенных параметров кубита и схем квантового исправления ошибок (QEC) или настроить уникальные параметры для широкого спектра характеристик машины, таких как частота ошибок операций, скорость операций, схемы и пороговые значения ошибок.

Почему оценка ресурсов важна при разработке квантовых вычислений?

Хотя квантовые компьютеры обещают решать важные научные и коммерческие задачи, для достижения коммерческой жизнеспособности потребуются крупномасштабные отказоустойчивые квантовые компьютеры с большим количеством кубитов в суперпозиции и физической скоростью ошибок ниже определенного порога. Коммерческая и научная жизнеспособность также потребует использования схем QEC для достижения отказоустойчивости. QEC требует как времени, так и пространства, что требует увеличения времени выполнения для операций алгоритма или логического уровня, а также дополнительных физических кубитов для хранения и вычисления информации.

С помощью оценщика ресурсов можно понять влияние решений архитектуры и квантовых схем коррекции ошибок. Оценщик ресурсов поможет вам понять, сколько кубитов необходимо для запуска приложения, сколько времени потребуется для запуска и какие технологии кубитов лучше подходят для решения конкретной задачи. Понимание этих требований позволит подготовить и усовершенствовать квантовые решения для работы на будущих масштабируемых квантовых машинах.

Какие функции делают оценщик ресурсов уникальным?

Оценщик ресурсов — это мощный инструмент, который включает в себя все уровни стека квантовых вычислений. Стек квантовых вычислений можно разделить на три уровня: уровень приложения, уровень квантового программирования или компиляции и уровень оборудования или моделирования.

Оценщик ресурсов позволяет настраивать параметры каждого уровня и анализировать их влияние на общие ресурсы, необходимые для запуска квантовой программы.

Схема, показывающая уровни стека квантовых вычислений оценщика ресурсов.

Настройка

Вы можете адаптировать оценщик ресурсов и указать характеристики квантовой системы. Вы можете использовать предопределенные target параметры или настроить их в соответствии со своими потребностями. Дополнительные сведения см. в статье Настройка оценки ресурсов для характеристик компьютера.

Параметры целевых расположений Описание системы
Модель физического кубита Например, укажите набор инструкций, время измерения кубита, частоту ошибок или время шлюза.
Схема квантовой коррекции ошибок Например, укажите количество физических кубитов на логический кубит, время логического цикла или порог исправления ошибок.
Бюджет ошибок Например, укажите бюджет ошибок для реализации логических кубитов, дистилляции состояний T и синтеза вентилей вращения.
Дистилляционные единицы Например, укажите количество состояний T, необходимых для процесса дистилляции, количество состояний T, полученных в качестве выходных данных процесса дистилляции, или вероятность сбоя процесса дистилляции.
Ограничения Например, укажите максимальное число физических кубитов, максимальную среду выполнения или максимальное число копий фабрики T.

Гибкость

Вы можете использовать собственный код и средства компиляции в оценщике ресурсов. Оценщик ресурсов поддерживает любой язык, который переводится в QIR, например Q# и Qiskit. См. раздел Различные способы запуска оценщика ресурсов.

Пакетная обработка нескольких оценок

Оценщик ресурсов позволяет оценить ресурсы, необходимые для выполнения одного квантового алгоритма для различных конфигураций target параметров, и сравнить результаты. Таким образом можно понять, как архитектура кубитов, схема QEC и остальные target параметры влияют на общие ресурсы.

Optimization

Вы можете сократить время выполнения оценщика ресурсов, включив некоторые оценки в общую стоимость. Например, если вы работаете с крупной программой, вы можете вычислить и кэшировать стоимость подпрограмм или, если вы уже знаете оценки для операции , вы можете передать их в оценщик ресурсов.

Визуализация ресурсов

Вы можете визуализировать компромиссы между количеством физических кубитов и средой выполнения алгоритма с помощью пространственно-временной схемы, которая позволяет найти оптимальное сочетание пар {число кубитов, среда выполнения}.

Вы также можете проверить распределение физических кубитов, используемых для алгоритма и фабрик T, используя схему пространства.

Начало работы с оценщиком ресурсов

Оценщик ресурсов входит в состав пакета средств разработки Azure Quantum (современный QDK). Чтобы приступить к работе, см. статью Выполнение первой оценки ресурсов.

В следующей таблице показаны различные пользовательские сценарии и рекомендуемые статьи, которые следует начать с оценщика ресурсов.

Пользовательский сценарий Требуется
Я разрабатываю коды QEC Вы можете использовать оценщик ресурсов для настройки кодов QEC и сравнения различных сочетаний параметров. См. раздел Настройка схем QEC.
Я разрабатываю квантовые алгоритмы Анализируя влияние различных конфигураций профилей оборудования и программного обеспечения на требования к ресурсам, вы можете получить представление о том, как квантовый алгоритм может работать в разных условиях оборудования и ошибках. Эти сведения помогут вам оптимизировать алгоритм для определенного квантового оборудования или частоты ошибок. См . раздел Выполнение нескольких конфигураций target параметров.
Я хочу повысить производительность квантовых программ Сведения о том, как использовать возможности оценщика ресурсов, см. в разделах Запуск больших программ и Использование известных оценок.
Я заинтересован в крупномасштабных квантовых вычислениях Оценщик ресурсов можно использовать для анализа ресурсов реальных задач, которые должны быть решены крупномасштабными отказоустойчивыми квантовыми компьютерами. См. статью Оценка ресурсов для крупномасштабных квантовых вычислений.
Я разрабатываю квантово-безопасное шифрование С помощью оценщика ресурсов можно сравнить производительность различных алгоритмов шифрования, сильные стороны ключей, типы кубитов и частоту ошибок, а также их устойчивость к квантовым атакам. См . раздел Оценка ресурсов и шифрование.

Примечание

Если при работе с оценщиком ресурсов возникают проблемы, проверка страницу Устранение неполадок.

Оценка ресурсов для крупномасштабных квантовых вычислений

Если вы хотите разработать квантовые алгоритмы для крупномасштабных квантовых компьютеров, проверка из учебника По оценке ресурсов квантовой химии.

Это руководство представляет собой первый шаг по интеграции оценки ресурсов квантовых решений в задачи электронной структуры. Одним из наиболее важных приложений масштабируемых квантовых компьютеров является решение задач квантовой химии. Моделирование сложных квантово-механических систем может открыть прорывы в таких областях, как улавливание углерода, отсутствие безопасности пищевых продуктов и проектирование лучших видов топлива и материалов.

Например, один из гамильтонианов, используемых в этом руководстве, nitrogenase_54orbital, описывает фермент азотазы. Если бы вы могли точно имитировать, как этот фермент работает на квантовом уровне, это поможет нам понять, как производить его в большом масштабе. Вы можете заменить высокоэнергетический процесс, который используется для производства достаточного количества удобрений, чтобы прокормить планету. Это имеет потенциал для сокращения глобального углеродного следа, а также для решения проблем, связанных с отсутствием продовольственной безопасности в растущем населении.