7 月 13 日，英偉達(dá)宣布了全新編程平臺(tái) NVIDIA Quantum Optimized Device Architecture（QODA，量子優(yōu)化設(shè)備架構(gòu)），旨在開發(fā)和管理在混合經(jīng)典量子系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。QODA 將成為 cuQuantum，即英偉達(dá) GPU 加速量子模擬系統(tǒng)的補(bǔ)充。與 cuQuantum 不同，QODA 旨在幫助人們?cè)诹孔?a target="_blank">處理器和經(jīng)典系統(tǒng)（GPU、CPU）組成的混合系統(tǒng)上開發(fā)和運(yùn)行應(yīng)用程序，使量子計(jì)算更易使用。

與 CUDA 類似，QODA 是開放的、統(tǒng)一的環(huán)境，后者適用于當(dāng)今一些最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和量子處理器，可提高科學(xué)生產(chǎn)力，并使量子研究具有更大的規(guī)模。

混合量子、經(jīng)典計(jì)算的想法目前已被學(xué)界和業(yè)界廣泛接受。QODA 的某些部分將更適合經(jīng)典系統(tǒng)，而其他部分僅適用于量子計(jì)算機(jī)。我們可以至少部分地將 QODA 視為一組工具和一個(gè)編譯器，其能夠適當(dāng)?shù)貏澐秩蝿?wù)，并將與量子相關(guān)的部分轉(zhuǎn)換為各種量子處理器（QPU）的機(jī)器指令。

英偉達(dá) HPC 和量子計(jì)算產(chǎn)品總監(jiān) Timothy Costa 在媒體活動(dòng)中表示：「混合計(jì)算術(shù)語(yǔ)在行業(yè)中被過(guò)度使用了。應(yīng)用程序中有一些算法最適合像 GPU 這樣的經(jīng)典計(jì)算資源，應(yīng)以高性能方式實(shí)現(xiàn)以在 GPU 上運(yùn)行。還有最適合量子計(jì)算機(jī)的算法。這些部分協(xié)同工作，數(shù)據(jù)則在其中來(lái)回傳遞?！?/p>

我們知道，當(dāng)前的所有量子計(jì)算機(jī)都必須是混合的，經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要與 QPU 進(jìn)行通信（即發(fā)送控制信號(hào)，解釋結(jié)果），沒(méi)有其他方法。

新平臺(tái)的發(fā)布使英偉達(dá)的量子計(jì)算計(jì)劃更加清晰。Costa 強(qiáng)調(diào)，英偉達(dá)沒(méi)有進(jìn)入 QPU 業(yè)務(wù)的計(jì)劃。也就是說(shuō)，這家公司清楚地將量子計(jì)算作為另一種加速器平臺(tái)，并試圖將其集成到 HPC 領(lǐng)域。利用 GPU 來(lái)加速混合量子經(jīng)典應(yīng)用程序是很自然的選擇，在密集矩陣乘法等任務(wù)上，GPU 執(zhí)行得比 QPU 更好。

QODA 將在 2022 年內(nèi)推出，新產(chǎn)品面臨的一個(gè)直接挑戰(zhàn)是與許多不同類型的量子比特（離子阱、超導(dǎo)、光子等）進(jìn)行通信。目前尚不清楚哪種 QPU 技術(shù)將占上風(fēng)。

英偉達(dá)表示，一些領(lǐng)先的量子計(jì)算研究組織已經(jīng)使用英偉達(dá) GPU 和專業(yè)化軟件 cuQuantum 來(lái)開發(fā)各自的量子線路。借助 QODA，開發(fā)者就能構(gòu)建完整的量子應(yīng)用程序，這些量子應(yīng)用程序可以通過(guò) cuQuantum 在 GPU 加速的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。

在 QODA 宣布的同時(shí)，英偉達(dá)宣布與五家量子硬件制造商合作。值得注意的是，每家制造商都使用了不同的量子比特技術(shù)。它們包括 IQM 量子計(jì)算機(jī)（超導(dǎo)量子比特）、Pasqal（中性原子）、Quantinuum（離子阱）、Quantum Brilliance（鉆石中的氮空位）和 Xanadu（光子）。

「我需要強(qiáng)調(diào)這不是隨機(jī)選擇，」Costa 說(shuō)道?！高@是五種不同類型的量子比特，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)槲覀冋谶x擇第一批合作伙伴。我們希望確保在開發(fā)編程模型時(shí)不會(huì)遺漏任何東西，而這種模型是對(duì)一種量子比特進(jìn)行編程所需的。我們期待在不久的將來(lái)擴(kuò)大合作伙伴的范圍?！?/p>

英偉達(dá)還宣布了與兩家軟件提供商 QC Ware 和 Zapata Computing 以及包括 Forschungszentrum Jülich、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的幾個(gè)超級(jí)計(jì)算中心合作。

英偉達(dá)是量子計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)中相對(duì)后來(lái)的玩家。它對(duì)量子計(jì)算的推動(dòng)始于 2021 年推出的 cuQuantum。Costa 表示，新產(chǎn)品 QODA 的目標(biāo)是英偉達(dá)認(rèn)為的市場(chǎng)空白。

「當(dāng)今量子計(jì)算軟件的大部分工作都集中在算法開發(fā)上，」Costa 表示?！敢虼伺c完全混合應(yīng)用程序相比規(guī)模要小一些。目前一些較流行的框架，如 Cirq、Qiskit 和 PennyLane。它們非常重要，我們與 cuQuantum 一起發(fā)布的第一款產(chǎn)品就是為它們?cè)O(shè)計(jì)的，目的是讓它們變得更強(qiáng)大?！?/p>

「基于算法實(shí)驗(yàn)的框架與構(gòu)建當(dāng)今用于量子計(jì)算的 GPU 加速科學(xué)應(yīng)用程序之間存在很大差距，因?yàn)樗鼈冋旌辖?jīng)典量子計(jì)算的方向發(fā)展。為此，我們需要從量子物理學(xué)家的算法開發(fā)過(guò)渡到領(lǐng)域科學(xué)家的應(yīng)用程序開發(fā)，構(gòu)建一個(gè)為混合量子經(jīng)典計(jì)算設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)，提供與應(yīng)用程序和編程范式互操作的性能，同時(shí)易于被科學(xué)家所使用。」

在尋求簡(jiǎn)化量子和混合量子經(jīng)典資源的應(yīng)用平臺(tái)上，英偉達(dá)并不是唯一一家。例如，初創(chuàng)公司 Agnostiq 有一個(gè)開源產(chǎn)品 Covalent，旨在為包括量子資源的異構(gòu) HPC 環(huán)境開發(fā)工作流。

我們對(duì)于量子計(jì)算將如何融入 HPC 領(lǐng)域及成為生產(chǎn)力的形式并不明了。盡管情況正在迅速變化，但量子計(jì)算一直是人們努力的方向。英偉達(dá)的入局證明了這一點(diǎn)。

「眾所周知，真正的量子優(yōu)越性，即通過(guò)在應(yīng)用程序中包含量子計(jì)算來(lái)與經(jīng)典計(jì)算區(qū)分開來(lái)，通常出現(xiàn)在容錯(cuò)量子計(jì)算時(shí)代，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的量子比特將通過(guò)數(shù)千量子比特進(jìn)行糾錯(cuò)。這還很遙遠(yuǎn)，還有很多工作要做。但很多不同領(lǐng)域的研究正在積極應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。全球有 22 個(gè)國(guó)家有量子計(jì)劃，超過(guò) 70% 的領(lǐng)先科技公司都有量子計(jì)劃，其中的規(guī)模和規(guī)模差異很大，但都是某種形式，每年都有很多論文，然后是 250 家或更多的初創(chuàng)公司，其中一些估值相當(dāng)高，」Costa 說(shuō)道。

當(dāng)然，英偉達(dá)的發(fā)展重點(diǎn)是確保能在其 GPU 上運(yùn)行量子計(jì)算工作時(shí)獲得絕對(duì)最佳的性能。這就是 cuQuantum 在量子仿真方面的用途。因此，其提出的構(gòu)建代碼的方式 QODA 可以成為其他編譯器的合作工具。「我們有編譯器，NVC++ 是一個(gè)很好的例子。它既是加速器 GPU 編譯器，又是高性能 CPU 編譯器，你可以將其與 QODA 配對(duì)，Costa 說(shuō)。

量子處理器（QPU）因?yàn)槔昧孔恿W(xué)的特性，非常適合模擬原子級(jí)別的變化過(guò)程，有望推動(dòng)化學(xué)、材料科學(xué)的基礎(chǔ)進(jìn)步，在從更高效的電池到更有效的藥物等方面催生突破性進(jìn)展。

QPU 還可以幫助解決物流等領(lǐng)域的棘手優(yōu)化問(wèn)題。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，最近安裝在于歐洲最大的量子計(jì)算設(shè)施之一，Jülich 量子計(jì)算統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施（JUNIQ）的一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)展示了安排近 500 次航班的最有效方式，展示了該技術(shù)的潛力。

量子計(jì)算還有望將人工智能提升到一個(gè)新的水平。在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中，Jülich 研究人員使用量子機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)模擬蛋白質(zhì)如何與 DNA 鏈結(jié)合并對(duì)法國(guó)里昂的衛(wèi)星圖像進(jìn)行了分類。

「長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直認(rèn)為混合系統(tǒng)是獲得實(shí)用量子計(jì)算的唯一途徑——與今天的經(jīng)典 HPC 系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，量子計(jì)算機(jī)將為我們提供兩全其美的優(yōu)勢(shì)，」JUNIQ 負(fù)責(zé)人 Kristel Michielsen 表示。

英偉達(dá) A100 GPU（綠色）構(gòu)成了 JUWELS Booster 的核心，可以使用 cuQuantum 模擬量子任務(wù)。

與在 CPU 集群上運(yùn)行的作業(yè)相比，研究人員應(yīng)用通用量子計(jì)算機(jī)模擬器的 GPU 版本 JUQCS，獲得了高達(dá) 49 倍的加速。

原文標(biāo)題：速度提升49倍，英偉達(dá)發(fā)布量子混合編程平臺(tái)QODA

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