Когда квантовым компьютерам нужны суперкомпьютеры

Группа исследователей из Amazon Web Services, Nvidia, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и NASA разработала модель, оценивающую необходимость размещения квантовых процессоров рядом с классическими суперкомпьютерами или использования удалённого облачного доступа.

Модель учитывает тип задач, частоту обменов между квантовой и классической частями и требования к задержке при управлении и коррекции ошибок. Авторы разделили взаимодействие на два уровня: управление оборудованием в реальном времени и гибридные алгоритмы, где классическая и квантовая части поочерёдно выполняют расчёты.

Первый уровень включает калибровку физических кубитов и обработку данных для коррекции ошибок. Такие операции требуют отклика в интервалах от долей микросекунды до нескольких микросекунд, поэтому для них необходима прямая связь с минимальной задержкой; обычный удалённый доступ через сеть в этих случаях не подходит.

Второй уровень охватывает гибридные алгоритмы. В модели время цикла разбивается на классическую обработку, работу квантового процессора и обмен данными. Если основную часть цикла занимает классическая обработка, сокращение сетевой задержки мало влияет на общую производительность. Если алгоритм требует частых последовательных обменов, сетевые задержки становятся определяющим фактором.

В качестве примеров исследователи проанализировали реальные эксперименты. Для квантовой диагонализации на основе выборок (SQD), протестированной на 77‑кубитном процессоре IBM Heron, основное время цикла занимала классическая обработка результатов, а доля коммуникационных затрат составила около 0,0001. В этом сценарии удалённый облачный доступ признан достаточным.

В эксперименте с методом Монте‑Карло по цепям Маркова с квантовым ускорением (QE‑MCMC) на 10‑кубитном устройстве IBM алгоритм требовал частых последовательных обменов. При удалённом подключении коммуникационные задержки превысили время вычислений примерно в 1000 раз. Для этого алгоритма не потребовался полноценный суперкомпьютер: авторы указывают, что достаточно небольшого классического контроллера с низкой задержкой, расположенного ближе к квантовому устройству.

Авторы отмечают, что при переходе к логическим кубитам и создании отказоустойчивых квантовых компьютеров классическая инфраструктура будет непрерывно обрабатывать измерения, обнаруживать ошибки и отправлять корректирующие команды. Обработка должна укладываться в интервалы от долей микросекунды до нескольких микросекунд, и в таких установках скорость классической части начнёт определять темп работы квантовой системы.

В работе подчёркнуто отсутствие единой архитектуры: требования зависят от конкретного алгоритма, характеристик квантового и классического оборудования, числа обменов и объёма передаваемых данных. Исследователи предлагают использовать модель для периодической переоценки вычислительной инфраструктуры по мере развития квантовых процессоров и методов их использования.

Как дополнительный факт, в июле Nvidia опубликовала код ИИ‑модуля для предварительной обработки сигналов квантовых ошибок. В симуляции сочетание этого модуля с классическим декодером показало снижение частоты логических сбоев и ускорение обработки измерений.