Introduzione allo strumento di stima delle risorse di Azure Quantum

Questo articolo presenta Lo strumento di stima delle risorse di Azure Quantum, un potente strumento open source che consente di stimare le risorse necessarie per eseguire un programma quantistico in un computer quantistico.

Che cos'è Lo strumento di stima delle risorse di Azure Quantum?

Azure Quantum Resource Estimator è uno strumento open source che consente di stimare le risorse necessarie per eseguire un determinato algoritmo quantistico in un computer quantistico a tolleranza di errore.

Suggerimento

Azure Quantum Resource Estimator è gratuito e non richiede un account Azure.

Lo strumento di stima delle risorse fornisce il numero totale di qubit fisici e logici, il runtime, nonché i dettagli delle formule e dei valori usati per ogni stima. Ciò significa che lo sviluppo di algoritmi diventa l'obiettivo di ottimizzare le prestazioni e ridurre i costi. Con Lo strumento di stima delle risorse di Azure Quantum è possibile confrontare tecnologie qubit, schemi di correzione degli errori quantistici e altre caratteristiche hardware per comprendere come influiscono sulle risorse necessarie per eseguire un programma quantistico.

È possibile iniziare dalle impostazioni dei parametri qubit ben noti e predefiniti e dagli schemi QEC (Quantum Error Correction) o configurare impostazioni univoche in un'ampia gamma di caratteristiche del computer, ad esempio frequenze di errore dell'operazione, velocità delle operazioni e schemi di correzione degli errori e soglie.

Perché la stima delle risorse è importante nello sviluppo del calcolo quantistico?

Anche se i computer quantistici promettono di risolvere importanti problemi scientifici e commerciali, il raggiungimento della redditività commerciale richiederà computer quantistici a tolleranza di errore su larga scala con un numero elevato di qubit in sovrapposizione e velocità di errore fisiche al di sotto di una determinata soglia. Anche la redditività commerciale e scientifica richiederà che gli schemi QEC ottengano la tolleranza di errore. QEC è sia tempo che utilizzo intensivo dello spazio, che richiede tempi di esecuzione maggiori per operazioni a livello di algoritmo o logico, nonché qubit fisici aggiuntivi per archiviare e calcolare le informazioni.

L'uso di Resource Estimator consente di comprendere l'impatto delle scelte di progettazione dell'architettura e degli schemi di correzione degli errori quantistici. Lo strumento di stima delle risorse consente di comprendere il numero di qubit necessari per eseguire un'applicazione, il tempo necessario per l'esecuzione e le tecnologie qubit più adatte per risolvere un problema specifico. La comprensione di questi requisiti consentirà di preparare e perfezionare le soluzioni quantistice per l'esecuzione in computer quantistici futuri e ridimensionati.

Quali funzionalità rendono univoco lo strumento di stima delle risorse?

Resource Estimator è uno strumento potente che coinvolge tutti i livelli dello stack di calcolo quantistico. Lo stack di calcolo quantistico può essere suddiviso in tre livelli: il livello dell'applicazione, la programmazione quantistica o il livello di compilazione e l'hardware o il livello di modellazione.

Resource Estimator consente di personalizzare i parametri di ogni livello e di analizzare l'impatto sulle risorse complessive necessarie per eseguire un programma quantistico.

Personalizzazione

È possibile adattare Lo strumento di stima delle risorse e specificare le caratteristiche del sistema quantistico. È possibile usare i parametri predefiniti target o personalizzarli in base alle proprie esigenze. Per altre informazioni, vedere Personalizzare le stime delle risorse in base alle caratteristiche del computer.

Parametri relativi alla destinazione	Descrivere il sistema
Modello qubit fisico	Ad esempio, specificare il set di istruzioni, il tempo di misurazione del qubit, le percentuali di errore o i tempi di controllo.
Schema di correzione degli errori quantistici	Ad esempio, specificare il numero di qubit fisici per qubit logico, il tempo del ciclo logico o la soglia di correzione degli errori.
Budget di errore	Ad esempio, specificare il budget degli errori per implementare qubit logici, la sintesi dei controlli di rotazione.
Unità di crittografia	Ad esempio, specificare il numero di stati T necessari per il processo di compilazione, il numero di stati T prodotti come output dal processo di compilazione o la probabilità di errore del processo di compilazione.
Vincoli	Ad esempio, specificare il numero massimo di qubit fisici, il runtime massimo o il numero massimo di copie factory T.

Flessibilità

È possibile portare il codice e gli strumenti di compilazione personalizzati in Stima risorse. Resource Estimator supporta qualsiasi linguaggio che si traduce in QIR, ad esempio Q# e Qiskit. Vedere Diversi modi per eseguire Lo strumento di stima delle risorse.

Batch per più stime

Resource Estimator consente di stimare le risorse necessarie per eseguire lo stesso algoritmo quantistico per configurazioni diverse di target parametri e confrontare i risultati. In questo modo è possibile comprendere in che modo l'architettura qubit, lo schema QEC e il resto dei target parametri influisce sulle risorse complessive.

Optimization

È possibile ridurre il tempo di esecuzione dello strumento di stima delle risorse incorporando alcune stime nel costo complessivo. Ad esempio, se si usa un programma di grandi dimensioni, è possibile calcolare e memorizzare nella cache il costo delle subroutine o se si conoscono già le stime per un'operazione che è possibile passarle a Resource Estimator.

Visualizzazione delle risorse

È possibile visualizzare i compromessi tra il numero di qubit fisici e il runtime dell'algoritmo usando il diagramma dello spazio-tempo, che consente di trovare la combinazione ottimale di {numero di qubit, coppie runtime}.

È anche possibile controllare la distribuzione dei qubit fisici usati per l'algoritmo e le factory T usando il diagramma spaziale.

Introduzione a Resource Estimator

Resource Estimator fa parte di Azure Quantum Development Kit (QDK moderno). Per iniziare, vedere Eseguire la prima stima delle risorse.

La tabella seguente illustra diversi scenari utente e gli articoli consigliati per iniziare con Lo strumento di stima delle risorse.

Scenario utente	Per
Sto sviluppando codici QEC	È possibile usare Resource Estimator per personalizzare i codici QEC e confrontare diverse combinazioni di parametri. Vedere Come personalizzare gli schemi QEC.
Sto sviluppando algoritmi quantistici	Analizzando l'impatto delle diverse configurazioni dei profili hardware e software sui requisiti delle risorse, è possibile ottenere informazioni dettagliate sulle prestazioni dell'algoritmo quantistico in condizioni hardware e di errore diverse. Queste informazioni consentono di ottimizzare l'algoritmo per specifiche frequenze di errore o hardware quantistico. Vedere Esecuzione di più configurazioni di target parametri.
Voglio migliorare le prestazioni dei programmi quantistici	Per informazioni su come sfruttare la potenza dello strumento di stima delle risorse, vedere Esecuzione di programmi di grandi dimensioni e Uso di stime note.
Si è interessati al calcolo quantistico su larga scala	È possibile usare Resource Estimator per analizzare le risorse dei problemi reali che devono essere risolti da computer quantistici a tolleranza di errore su larga scala. Vedere come vedere Stima delle risorse per il calcolo quantistico su larga scala.
Sto sviluppando crittografia quantistica	È possibile usare Resource Estimator per confrontare le prestazioni di algoritmi di crittografia diversi, punti di forza delle chiavi, tipi di qubit e velocità di errore e resilienza agli attacchi quantistici. Vedere Stima delle risorse e crittografia.

Nota

Se si verificano problemi durante l'uso di Resource Estimator, vedere la pagina Risoluzione dei problemi.

Stima delle risorse per il calcolo quantistico su larga scala

Per sviluppare algoritmi quantistici per computer quantistici su larga scala, vedere l'esercitazione Stimare le risorse di un problema di chimica quantistica .

Questa esercitazione rappresenta un primo passaggio per integrare la stima delle risorse delle soluzioni quantistiche ai problemi di struttura elettronica. Una delle applicazioni più importanti dei computer quantistici con scalabilità è risolvere i problemi di chimica quantistica. La simulazione di sistemi meccanici quantistici complessi ha il potenziale di sbloccare le innovazioni in aree come la cattura di carbonio, l'insicurezza alimentare e la progettazione di combustibili e materiali migliori.

Ad esempio, uno degli hamiltoniani usati in questa esercitazione, il nitrogenase_54orbital, descrive l'enzimio azotoase. Se si potrebbe simulare con precisione il funzionamento di questo enzimi a livello quantistico, può aiutare a capire come produrlo su larga scala. Si potrebbe sostituire il processo a elevato utilizzo energetico che viene usato per produrre abbastanza concime per alimentare il pianeta. Ciò ha il potenziale per ridurre l'impronta di carbonio globale e anche per aiutare a risolvere le preoccupazioni relative all'insicurezza alimentare in una popolazione in crescita.