Ich bin auf einen LinkedIn-Beitrag von Michaela Eichinger (von Quantum Machines) gestoßen, die eine hervorragende und relevante Frage zur Bedeutung einer QPU gestellt hat, die im Folgenden zusammengefasst ist:

Quantenchip auf einer Leiterplatte – Bildnachweis: QUtech

Terminologie Link zu Überschrift

Unter den zahlreichen Kommentaren zu dieser Frage war der von Olivier Ezratty (https://www.oezratty.net/) besonders praxisorientiert. Er schlug vor, zwei Schlüsselbegriffe zu definieren, um die Sachlage zu klären: „Quantencomputer“ und „Quantencomputersystem“.

• Quantencomputer: Er führt einen vordefinierten Quantenschaltkreis aus, üblicherweise mehrmals, und liefert nutzbare Ergebnisse. Dazu gehören Kompilierung, Optimierung, gegebenenfalls QEC/FTQC-Implementierung, die gesamte klassische Systemsteuerung (Elektronik, Photonik), Messungen innerhalb des Schaltkreises, ein klassischer Optimierer (für NISQ-Variationsschaltkreise) und die Nachbearbeitung. Ebenso gehören alle erforderlichen Technologien, einschließlich Kryotechnik, dazu.

• Quantencomputersystem: Löst ein Benutzerproblem mithilfe eines Quantencomputers. Es sollte alle klassischen Ressourcen umfassen, die an der Generierung von Quantenschaltungen beteiligt sind, gegebenenfalls auch Hochleistungsrechner. Und den verwendeten Quantencomputer.

Das Diagramm rechts veranschaulicht diese beiden Definitionen.

Systemperspektive: [ QPU || GPU ] Link zu Überschrift

Das Interessante daran ist das Quantencomputersystem. Ich ziehe gerne eine Parallele zwischen dem QPU- und dem GPU-Stack, wie im folgenden Diagramm dargestellt:

Aus Systemperspektive unterscheidet sich eine QPU nicht so sehr von einer GPU. Es gibt Analogien zwischen den verschiedenen Schichten der QPU- und GPU-Architektur.

Es ist außerdem hilfreich festzustellen, welche Teile auf der Quantenhardware und welche logischen Komponenten auf dem klassischen Computer laufen, selbst wenn beide Teil des Quantencomputers sind.

Olivier Erzaty gab hilfreiches Feedback zu dem ursprünglichen Diagramm, das ich auf LinkedIn veröffentlicht hatte:

• Verbindungen: Es gibt mindestens zwei Verbindungen. Die Quantenverbindung überträgt verschränkte Quantenentitäten. Die Echtzeit-Verbindung, im NVQLink-Kontext als Echtzeit-Verbindung (RTI) bezeichnet, ist eine weitere. Zusätzlich existiert ein herkömmliches klassisches Netzwerk, das die CPUs verbindet; dieses ist in diesem Diagramm jedoch nicht dargestellt.

• Kalibrierung: Idealerweise sollte die Kalibrierung in Echtzeit erfolgen, was jedoch in den meisten Fällen noch nicht der Fall ist. Aktuell gibt es zwei Arten: die Echtzeitkalibrierung, die innerhalb der Quantenhardware mithilfe der integrierten NPUs und Auslese- oder Syndromdaten durchgeführt wird, und die langsamere Kalibrierung, die auf der CPU oder GPU mithilfe fortschrittlicher vLLM-Modelle wie Ising läuft. Diese beiden Ansätze könnten sich zukünftig vereinen, dies könnte jedoch einige Jahre dauern.

• Beschleunigung: Im ersten Diagramm wurde der Begriff „Quantenhardwarebeschleunigung“ verwendet, um zu verdeutlichen, dass Quantenschaltungen auch auf GPU-beschleunigten Simulatoren laufen können, selbst ohne QPU. Wie Olivier jedoch anmerkte, nutzen einige Quantenfelder wie QML Quantenlösungen zur Ergebnisverbesserung, nicht unbedingt zur Geschwindigkeitssteigerung. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden die spezifischen Komponenten der Quantenhardware (Sequenzer, Controller, Pulsar, Kryo und Quantenchips) als „Quantenhardware“ bezeichnet.

Systemhierarchie Link zu Überschrift

Dies führt zu folgender Hierarchie, ähnlich der von Olivier vorgeschlagenen:

1. Quantensystem: Ein heterogenes Hybridsystem, das GPUs, CPUs und QPUs gemeinsam betreibt. 2. Quantencomputer: Ein System, das Quantenschaltungen ausführt und probabilistische Auslesewerte generiert. 3. Quantenhardware: Der physische Teil, in dem sich die QPU sowie die Kryo- und PPU befinden.

Hier einige Punkte, die zu beachten sind:

• xPUs: Ich habe “GPUs, CPUs und QPUs” erwähnt, aber ich hätte auch “xPU” als Oberbegriff für jede Verarbeitungseinheit verwenden können, da das System möglicherweise auch TPUs und NPUs verwendet.

• PPUs: PPU steht für „Pulse Processing Unit“ (Pulsverarbeitungseinheit). Es handelt sich um die Komponente, auf der die Firmware läuft und die für die Steuerung und das Auslesen der Pulsare, die (Mid-Circuit-)Sequenzierung, QEC und RTI-Netzwerke verantwortlich ist.

• GPU vs PPU: Die Ausführung von Kernels auf der GPU oder PPU erfordert einen Kompromiss zwischen den Kosten der Informationsübertragung und der Rechenleistung, insbesondere wenn PPUs im Kryostaten platziert werden.

Abschluss Link zu Überschrift

Dieses kurze Memo half mir, die verschiedenen Komponenten eines Quantencomputersystems mit QPUs zu verdeutlichen. Ich habe bewusst die GPU-Analogie verwendet, um die an einer QPU beteiligten Komponenten besser verständlich zu machen.

Natürlich ist dies eine vereinfachte Darstellung, und ich habe bewusst viele Details weggelassen. Ich werde diese in späteren Mitteilungen behandeln. Falls Sie in der Zwischenzeit interessiert sind, schauen Sie sich CudaQ von Nvidia an. Diese Lösung befasst sich bereits mit vielen der im oberen Teil dieses Diagramms dargestellten Designherausforderungen.

Ich möchte mich außerdem bei Oliver Erzaty für sein Feedback und bei Michaela Eichinger für ihre stets aufschlussreichen Fragen und Beiträge bedanken.

References:

• NVQLink: Real-time accelerated computing for every quantum processor
• CudaQ: NVIDIA’s open platform for quantum computing and the foundation for accelerated quantum supercomputing
• PPU: Real-Time Quantum Control at the Pulse Level
• NVIDIA Ising

For reference, this is the initial diagram posted on LinkedIn:

DrawIO diagrams used in this memo:

.drawio .webp .svg
gpu vs qpu stack v2

.drawio .webp .svg
gpu vs qpu stack v1

.drawio .webp .svg
gpu vs qpu stack v0