Úvod do nástroje Azure Quantum Resource Estimator

Tento článek představuje Azure Quantum Resource Estimator, výkonný opensourcový nástroj, který umožňuje odhadnout prostředky potřebné ke spuštění kvantového programu na kvantovém počítači.

Co je Azure Quantum Resource Estimator?

Azure Quantum Resource Estimator je opensourcový nástroj, který umožňuje odhadnout prostředky potřebné k provedení daného kvantového algoritmu na kvantovém počítači odolném proti chybám.

Tip

Nástroj Azure Quantum Resource Estimator je bezplatný a nevyžaduje účet Azure.

Nástroj Resource Estimator poskytuje celkový počet fyzických a logických qubitů, modul runtime a také podrobnosti o vzorcích a hodnotách použitých pro každý odhad. To znamená, že se zaměřujeme na vývoj algoritmů s cílem optimalizovat výkon a snížit náklady. Pomocí nástroje Azure Quantum Resource Estimator můžete porovnat qubitové technologie, schémata oprav kvantových chyb a další hardwarové charakteristiky, abyste pochopili, jaký vliv mají na prostředky potřebné ke spuštění kvantového programu.

Můžete začít z dobře známých, předdefinovaných schémat parametrů qubitu a QEC (Quantum Error Correction) nebo nakonfigurovat jedinečná nastavení pro širokou škálu charakteristik počítače, jako jsou chyby operací, rychlosti operací a schémata a prahové hodnoty oprav chyb.

Proč je odhad prostředků při vývoji kvantových výpočtů důležitý?

Přestože kvantové počítače slibují řešení důležitých vědeckých a komerčních problémů, dosažení komerční životaschopnosti bude vyžadovat rozsáhlé kvantové počítače odolné proti chybám, které mají velký počet qubitů v superpozici i fyzickou chybovost pod určitou prahovou hodnotou. Komerční a vědecká životaschopnost bude také vyžadovat systémy QEC k dosažení odolnosti proti chybám. Funkce QEC je časově i prostorově náročná a vyžaduje delší dobu provádění operací na algoritmech nebo logických úrovních a také další fyzické qubity pro ukládání a výpočetní informace.

Pomocí nástroje Resource Estimator můžete pochopit dopad voleb návrhu architektury a schémat oprav kvantových chyb. Nástroj Resource Estimator vám pomůže pochopit, kolik qubitů je potřeba ke spuštění aplikace, jak dlouho bude trvat spuštění a jaké qubitové technologie jsou vhodnější pro řešení konkrétního problému. Porozumění těmto požadavkům vám umožní připravit a upřesnit kvantová řešení tak, aby fungovala na budoucích škálovaných kvantových počítačích.

Díky jakým funkcím je estimátor prostředků jedinečný?

Nástroj Resource Estimator je výkonný nástroj, který zahrnuje všechny úrovně zásobníku kvantových výpočtů. Zásobník kvantových výpočtů lze rozdělit na tři úrovně: úroveň aplikace, úroveň kvantového programování nebo kompilace a úroveň hardwaru nebo modelování.

Nástroj Resource Estimator umožňuje přizpůsobit parametry jednotlivých úrovní a analyzovat, jak ovlivňují celkové prostředky potřebné ke spuštění kvantového programu.

Přizpůsobení

Můžete přizpůsobit nástroj Pro posouzení prostředků a určit charakteristiky kvantového systému. Můžete použít předdefinované target parametry nebo si je přizpůsobit podle svých potřeb. Další informace najdete v tématu Přizpůsobení odhadů prostředků podle charakteristik počítačů.

Cílové parametry	Popište svůj systém.
Model fyzického qubitu	Zadejte například instrukční sadu, čas měření qubitu, chybovost nebo časy hradla.
Schéma oprav kvantových chyb	Zadejte například počet fyzických qubitů na logický qubit, čas logického cyklu nebo prahovou hodnotu opravy chyb.
Rozpočet chyb	Zadejte například rozpočet chyb pro implementaci logických qubitů, destilace stavů T a syntézy rotačních bran.
Destilační jednotky	Zadejte například počet stavů T požadovaných pro proces destilace, počet stavů T vyrobených jako výstup z procesu destilace nebo pravděpodobnost selhání procesu destilace.
Omezení	Zadejte například maximální počet fyzických qubitů, maximální dobu běhu nebo maximální počet kopií T factory.

Flexibilita

Do nástroje Pro posouzení prostředků můžete přenést vlastní kód a nástroje pro kompilaci. Nástroj Resource Estimator podporuje jakýkoli jazyk, který se překládá na QIR, například Q# a Qiskit. Projděte si téma Různé způsoby spuštění Nástroje pro posouzení prostředků.

Dávkové odhady

Nástroj Resource Estimator umožňuje odhadnout prostředky potřebné ke spuštění stejného kvantového target algoritmu pro různé konfigurace parametrů a porovnat výsledky. Tímto způsobem můžete pochopit, jak architektura qubitu, schéma QEC a ostatní target parametry ovlivňují celkové prostředky.

Optimalizace

Dobu provádění nástroje Resource Estimator můžete zkrátit tím, že do celkových nákladů začleníte některé odhady. Pokud například pracujete s velkým programem, můžete vypočítat náklady na podprogramy a uložit je do mezipaměti, nebo pokud už znáte odhady pro operaci , můžete je předat do Nástroje pro posouzení prostředků.

Vizualizace prostředků

Pomocí časoprostorového diagramu můžete vizualizovat kompromisy mezi počtem fyzických qubitů a modulem runtime algoritmu, který vám umožní najít optimální kombinaci {počet qubitů, párů modulu runtime}.

Pomocí prostorového diagramu můžete také zkontrolovat distribuci fyzických qubitů používaných pro algoritmus a továrny T.

Začínáme s nástrojem pro posouzení prostředků

Nástroj Resource Estimator je součástí sady Azure Quantum Development Kit (Moderní sada QDK). Pokud chcete začít, přečtěte si téma Spuštění prvního odhadu prostředků.

V následující tabulce jsou uvedeny různé scénáře uživatelů a doporučené články, které začínají nástrojem Pro posouzení prostředků.

Scénář uživatele	Chcete
Vyvíjím kódy QEC	Pomocí nástroje Resource Estimator můžete přizpůsobit kódy QEC a porovnat různé kombinace parametrů. Viz Přizpůsobení schémat QEC.
Vyvíjím kvantové algoritmy	Analýzou dopadu různých konfigurací hardwarových a softwarových profilů na požadavky na prostředky můžete získat přehled o tom, jak může váš kvantový algoritmus fungovat v různých hardwarových a chybových podmínkách. Tyto informace vám můžou pomoct optimalizovat algoritmus pro konkrétní kvantový hardware nebo chybovost. Viz Spouštění více konfigurací target parametrů.
Chci zlepšit výkon kvantových programů	Informace o využití výkonu nástroje Pro posouzení prostředků najdete v tématech Spouštění velkých programů a Používání známých odhadů.
Zajímám se o kvantové výpočty ve velkém měřítku	Pomocí nástroje Resource Estimator můžete analyzovat prostředky reálných problémů, které by měly řešit rozsáhlé kvantové počítače odolné proti chybám. Postup najdete v tématu Odhad prostředků pro rozsáhlé kvantové výpočty.
Vyvíjím kryptografii s kvantovou bezpečností	Pomocí nástroje Resource Estimator můžete porovnat výkon různých šifrovacích algoritmů, silných hodnot klíčů, typů qubitů a chybovosti a jejich odolnosti vůči kvantovým útokům. Viz Odhad prostředků a kryptografie.

Poznámka

Pokud při práci s nástrojem pro posouzení prostředků narazíte na nějaký problém, podívejte se na stránku Řešení potíží.

Odhad prostředků pro rozsáhlé kvantové výpočty

Pokud chcete vyvíjet kvantové algoritmy pro kvantové počítače ve velkém měřítku, podívejte se na kurz Odhad prostředků problému s kvantovou chemií .

Tento kurz představuje první krok k integraci odhadu prostředků z kvantových řešení do problémů s elektronickou strukturou. Jednou z nejdůležitějších aplikací škálovaných kvantových počítačů je řešení problémů kvantové chemie. Simulace složitých kvantových mechanických systémů má potenciál odhalit průlomy v oblastech, jako je zachycování uhlíku, potravinová bezpečnost a navrhování lepších paliv a materiálů.

Například jeden z hamiltoniánů použitých v tomto kurzu, nitrogenase_54orbital, popisuje enzym dusíkasy. Pokud byste mohli přesně simulovat, jak tento enzym funguje na kvantové úrovni, mohlo by nám to pomoct pochopit, jak ho vytvořit ve velkém měřítku. Mohli byste nahradit energeticky náročný proces, který se používá k výrobě dostatečného množství hnojiv pro krmení planety. To má potenciál snížit globální uhlíkovou stopu a také pomoci řešit obavy týkající se potravinové bezpečnosti u rostoucí populace.