Introduktion till Azure Quantum Resource Estimator

Den här artikeln introducerar Azure Quantum Resource Estimator, ett kraftfullt verktyg med öppen källkod som gör att du kan beräkna de resurser som behövs för att köra ett kvantprogram på en kvantdator.

Vad är Azure Quantum Resource Estimator?

Azure Quantum Resource Estimator är ett verktyg med öppen källkod som gör att du kan beräkna de resurser som behövs för att köra en viss kvantalgoritm på en feltolerant kvantdator.

Tips

Azure Quantum Resource Estimator är kostnadsfri och kräver inget Azure-konto.

Resursberäknaren innehåller det totala antalet fysiska och logiska kvantbitar, körning, samt information om formler och värden som används för varje uppskattning. Det innebär att algoritmutveckling blir i fokus, med målet att optimera prestanda och minska kostnaderna. Med Azure Quantum Resource Estimator kan du jämföra kvantbitstekniker, kvantfelkorrigeringsscheman och andra maskinvaruegenskaper för att förstå hur de påverkar de resurser som behövs för att köra ett kvantprogram.

Du kan börja med välkända, fördefinierade kvantbitsparameterinställningar och QEC-scheman (Quantum Error Correction) eller konfigurera unika inställningar för en mängd olika datoregenskaper, till exempel åtgärdsfelfrekvenser, åtgärdshastigheter och felkorrigeringsscheman och tröskelvärden.

Varför är resursuppskattning viktigt i utvecklingen av kvantberäkning?

Även om kvantdatorer lovar att lösa viktiga vetenskapliga och kommersiella problem, kommer det att krävas storskaliga, feltoleranta kvantdatorer som har både ett stort antal kvantbitar i superposition och fysiska felfrekvenser under ett visst tröskelvärde. Kommersiell och vetenskaplig lönsamhet kräver också QEC-system för att uppnå feltolerans. QEC är både tids- och rymdintensivt, vilket kräver ökad körningstid för algoritmer eller åtgärder på logisk nivå, samt ytterligare fysiska kvantbitar för att lagra och beräkna information.

Med hjälp av Resource Estimator kan du förstå effekten av arkitekturdesignval och kvantfelkorrigeringsscheman. Resursberäknaren hjälper dig att förstå hur många kvantbitar som behövs för att köra ett program, hur lång tid det tar att köra och vilka qubit-tekniker som är bättre lämpade för att lösa ett specifikt problem. Om du förstår de här kraven kan du förbereda och förfina kvantlösningar som ska köras på framtida, skalbara kvantdatorer.

Vilka funktioner gör Resource Estimator unikt?

Resource Estimator är ett kraftfullt verktyg som omfattar alla nivåer av kvantberäkningsstack. Stacken för kvantberäkning kan delas in i tre nivåer: programnivå, kvantprogrammerings- eller kompileringsnivå samt maskinvara eller modelleringsnivå.

Med Resursberäknaren kan du anpassa parametrarna för varje nivå och analysera hur de påverkar de totala resurser som behövs för att köra ett kvantprogram.

Anpassning

Du kan anpassa Resursberäknaren och ange egenskaperna för ditt kvantsystem. Du kan använda de fördefinierade target parametrarna eller anpassa dem efter dina behov. Mer information finns i Anpassa resursuppskattningar efter datoregenskaper.

Målparametrar	Beskriv systemet
Fysisk qubit-modell	Ange till exempel instruktionsuppsättningen, kvantbitens mättid, felfrekvens eller gatetider.
Korrigeringsschema för kvantfel	Ange till exempel antalet fysiska kvantbitar per logisk qubit, den logiska cykeltiden eller tröskelvärdet för felkorrigering.
Felbudget	Ange till exempel felbudgeten för att implementera logiska kvantbitar, T-tillståndsdestillering och syntes av rotationsportarna.
Destillationsenheter	Ange till exempel antalet T-tillstånd som krävs för destillationsprocessen, antalet T-tillstånd som produceras som utdata från destillationsprocessen eller sannolikheten för fel i destillationsprocessen.
Restriktioner	Ange till exempel det maximala antalet fysiska kvantbitar, den maximala körningen eller det maximala antalet T-fabrikskopior.

Flexibilitet

Du kan ta med dina egna kod- och kompileringsverktyg till Resource Estimator. Resursberäknaren stöder alla språk som översätts till QIR, till exempel Q# och Qiskit. Se Olika sätt att köra resursberäknaren.

Batch flera uppskattningar

Med Resource Estimator kan du beräkna de resurser som behövs för att köra samma kvantalgoritm för olika konfigurationer av target parametrar och jämföra resultaten. På så sätt kan du förstå hur kvantbitsarkitekturen, QEC-schemat och resten av parametrarna target påverkar de övergripande resurserna.

Optimering

Du kan minska körningstiden för Resource Estimator genom att inkludera vissa uppskattningar i den totala kostnaden. Om du till exempel arbetar med ett stort program kan du beräkna och cachelagrar kostnaden för subrutinerna, eller om du redan känner till uppskattningar för en åtgärd kan du skicka dem till Resursberäknaren.

Visualisering av resurser

Du kan visualisera kompromisserna mellan antalet fysiska kvantbitar och körningen av algoritmen med hjälp av tidsdiagrammet, vilket gör att du kan hitta den optimala kombinationen av {antal qubitar, runtime}-par.

Du kan också kontrollera fördelningen av fysiska kvantbitar som används för algoritmen och T-fabrikerna med hjälp av rymddiagrammet.

Kom igång med resursberäknaren

Resursberäknaren är en del av Azure Quantum Development Kit (Modern QDK). Information om hur du kommer igång finns i Kör din första resursuppskattning.

I följande tabell visas olika användarscenarier och de rekommenderade artiklarna som ska börja med Resource Estimator.

Användarscenario	Du vill
Jag utvecklar QEC-koder	Du kan använda Resource Estimator för att anpassa dina QEC-koder och jämföra olika kombinationer av parametrar. Se Så här anpassar du dina QEC-scheman.
Jag utvecklar kvantalgoritmer	Genom att analysera effekten av olika konfigurationer av maskinvaru- och programvaruprofiler på resurskraven kan du få insikter om hur kvantalgoritmen kan fungera under olika maskinvaru- och felförhållanden. Den här informationen kan hjälpa dig att optimera din algoritm för specifik kvantmaskinvara eller felfrekvens. Se Köra flera konfigurationer av target parametrar.
Jag vill förbättra prestandan för kvantprogram	Information om hur du utnyttjar kraften i Resursberäknaren finns i Köra stora program och Använda kända uppskattningar.
Jag är intresserad av storskalig kvantberäkning	Du kan använda Resource Estimator för att analysera resurserna för verkliga problem som förväntas lösas av storskaliga feltoleranta kvantdatorer. Se hur du i Resursuppskattning för storskalig kvantberäkning.
Jag utvecklar kvantsäker kryptografi	Du kan använda Resource Estimator för att jämföra prestanda för olika krypteringsalgoritmer, viktiga styrkor, kvantbitstyper och felfrekvenser samt deras motståndskraft mot kvantattacker. Se Resursuppskattning och kryptografi.

Anteckning

Om du stöter på problem när du arbetar med Resursberäknaren kan du gå till sidan Felsökning.

Resursuppskattning för storskalig kvantberäkning

Om du vill utveckla kvantalgoritmer för storskaliga kvantdatorer kan du läsa självstudien Beräkna resurserna för ett kvantkemiproblem .

Den här självstudien är ett första steg för att integrera resursuppskattning av kvantlösningar till problem med elektronisk struktur. En av de viktigaste programmen för skalbara kvantdatorer är att lösa kvantkemiproblem. Simuleringen av komplexa kvantmekaniska system har potential att frigöra genombrott inom områden som koldioxidavbildning, livsmedelssäkerhet och utformning av bättre bränslen och material.

En av de hamiltoner som används i den här självstudien, nitrogenase_54orbital, beskriver till exempel kväveasenzymet. Om du kan simulera hur det här enzymet fungerar på kvantnivå kan det hjälpa oss att förstå hur det ska skapas i stor skala. Du kan ersätta den mycket energiintensiva process som används för att producera tillräckligt med gödselmedel för att mata planeten. Detta har potential att minska det globala koldioxidavtrycket och även bidra till att ta itu med oron för livsmedelsosäkerhet i en växande befolkning.