Was ist die Microsoft Quantum-Ressourcenschätzung?

Quantencomputer sind anfällig für Rauschen und Fehler, da einzelne Qubits sehr empfindlich für Veränderungen der Umweltbedingungen sind. Fehlertolerante Quantencomputing erfordert Algorithmen, die QEC-Codes (Quantum Error Correction) verwenden. Diese Codes erstellen und verwenden logische Qubits aus Sammlungen einzelner physischer Qubits. Logische Qubits korrigieren Fehler, während ein Programm auf einem Quantencomputer ausgeführt wird, damit Quantenberechnungen zuverlässige Ergebnisse liefern können.

Die Microsoft Quantum-Ressourcenschätzung ist ein Open-Source-Tool in der Microsoft Quantum Development Kit -Bibliothek (QDK), Python mit dem Sie die Ressourcen schätzen können, die zum Ausführen eines Quantenprogramms auf einem fehlertoleranten Quantencomputer erforderlich sind. Fehlerkorrekturcodes erhöhen die Anzahl physischer Qubits und Laufzeit eines Quantenalgorithmus. Die Ressourcenschätzung bestimmt, wie viele physische Qubits und wie viel Zeit für eine Quantenanwendung benötigt wird, um mit einem bestimmten Fehlerkorrekturschema auf einer bestimmten Hardware ausgeführt zu werden.

Mit der Quantenressourcenschätzung können Sie Qubit-Technologien, Quantenfehlerkorrekturschemas und Hardwaretechnologien vergleichen, um die Auswirkungen auf die Ressourcen zu verstehen, die zum Ausführen eines Quantenprogramms erforderlich sind.

Wie funktioniert die Quantenressourcenschätzung?

Der Ressourcenschätzer basiert auf einem mehrschichtigen Modellierungsansatz, um flexibel und kombinierbar zu sein. Sie erstellen Modelle für die Anwendung, die Hardware und das Fehlerkorrekturschema. Außerdem geben Sie an, wie diese Modelle interagieren. Alle Modelle und Anweisungen sind voneinander unabhängig, sodass Sie verschiedene Kombinationen von Modellen kombinieren und vergleichen können.

Die Ressourcenschätzung verwendet Zwischendarstellungen, um die Ebenen zu verbinden. Diese Darstellungen sind Teil der Implementierung des Schätzers und sind für die typische Verwendung nicht erforderlich. Sie interagieren mit der Ressourcenschätzung über Standardprogrammsprachen und allgemeine Konfigurationsmodelle.

Die Quantenressourcenschätzung erfordert vier Eingaben:

• Ein Anwendungsmodell, das die Quantenberechnung beschreibt, z. B. ein Q#-Programm
• Ein Architekturmodell, das die target Quantenhardware beschreibt, z. B. Gate-basierte Superkonduktions-Qubits mit bestimmten Gatezeiten und Fehlerraten
• Ein Modell für Fehlerkorrektur und Factory-Destillation, das dem Hardwarearchitekturmodell entspricht
• Ein Fehlerbudget, das die maximal zulässige Fehlerrate für Vorgänge in logischen Qubits darstellt

Aus dem Anwendungsmodell generiert der Ressourcenschätzer eine oder mehrere Anwendungsablaufverfolgungen. Diese Ablaufverfolgungen sind kompakte Darstellungen der Anweisungssequenzen, die auf Qubits angewendet werden. Vom Architekturmodell und fehlerkorrekturmodell leitet der Ressourcenschätzer einen physischen Anweisungssatz (PHYSICAL Instruction Set, ISA) ab, der Vorgangszeiten, Qubitkosten und Fehlerraten angibt.

Sowohl die Anwendungsebene als auch die Architekturebene werden in konfigurierbare Transformationen konvertiert. Trace-Transformationen auf der Anwendungsschicht umfassen Gate-Zerlegungen und Layout-Routinen. ISA-Transformationen aus der Architekturebene umfassen Quantenfehlerkorrekturcodes und magische Zustandsfabriken, um logische Anweisungssätze mit höherer Genauigkeit aus den physikalischen Grundtypen der Architektur zu erstellen.

Die Ressourcenschätzung untersucht einen großen Kombinatorentwurfsbereich, da auf jeder Ebene viele gültige Designoptionen vorhanden sind. Beispielsweise unterschiedliche QEC-Codeabstände, verschiedene Fabrikprotokolle und verschiedene Dekompositionsparameter. Die Ressourcenschätzung untersucht jede Kombination aus Anwendungsablaufverfolgung und Architektur ISA, um physische Qubitanzahlen, Laufzeiten und akkumulierte Fehlerraten für jede Kombination auszuwerten. Die Ergebnisse werden auf eine Pareto-optimale Grenze gefiltert, was der optimale Satz von Konfigurationen ist, bei denen kein anderes Ergebnis gleichzeitig sowohl in Qubits als auch in der Laufzeit besser ist, während sie innerhalb des angegebenen Fehlerbudgets bleiben.

Unterstützung von Anwendungssprachen

Die Ressourcenschätzung akzeptiert Quantenanwendungen in verschiedenen Programmiersprachen und Zwischenformaten:

• Q#
• Cirq
• OpenQASM
• QIR
• Logische Berechnungen
• Benutzerdefinierte Anwendungen

Mithilfe von QIR und der Möglichkeit, benutzerdefinierte Anwendungen zu erstellen, ist der Ressourcenschätzer sprachunabhängig und unterstützt eine breite Palette von Tools für die Quantenprogrammierung. Anwendungen in verschiedenen Frameworks werden mithilfe derselben Schätzungspipeline analysiert. Sie können auch benutzerdefinierte Anwendungen außerhalb dieser unterstützten Frameworks erstellen.

Hardwareunterstützung für die Architektur

Ressourcenschätzungen hängen von Annahmen über die target Hardware und den Fehlerkorrekturcode ab, der logische Vorgänge vor Fehlern schützt. Die Ressourcenschätzung enthält integrierte Modelle für allgemeine Architekturen und Fehlerkorrekturschemas. Sie können auch eigene benutzerdefinierte Hardware- und Fehlerkorrekturmodelle definieren, um hypothetische Architekturen zu untersuchen, neue Technologien auszuwerten oder zu untersuchen, wie sich Änderungen in physischen Parametern auf die Ressourcenanforderungen auswirken, um ein Programm auszuführen.

Vergleichen von Schätzungen und Visualisieren von Ergebnissen

Mit der Ressourcenschätzung können Sie die ressourcenschätzen, die zum Ausführen des gleichen Quantenalgorithmus für verschiedene Konfigurationen von target Architekturmodellen erforderlich sind. Sie können die Ergebnisse für jede Konfiguration darstellen, um die Ergebnisse zu vergleichen. Wenn Sie Schätzungen vergleichen, können Sie verstehen, wie sich die Qubit-Architektur, das QEC-Schema und andere Hardwareparameter auf die für die Ausführung Ihres Programms erforderlichen Gesamtressourcen auswirken.

Erste Schritte mit der Ressourcenschätzung

Informationen zu den ersten Schritten finden Sie unter Installieren und Verwenden der Microsoft Quantum-Ressourcenschätzung.

Weitere Informationen und Codebeispiele finden Sie in den Beispielen für den Quantenressourcenschätzer im QDK-Repository auf GitHub.