Introdução ao Avaliador de Recursos do Azure Quantum

Este artigo apresenta o Avaliador de Recursos do Azure Quantum, uma poderosa ferramenta open source que lhe permite estimar os recursos necessários para executar um programa quântico num computador quântico.

O que é o Avaliador de Recursos do Azure Quantum?

O Avaliador de Recursos do Azure Quantum é uma ferramenta open source que lhe permite estimar os recursos necessários para executar um determinado algoritmo quântico num computador quântico tolerante a falhas.

Dica

O Avaliador de Recursos do Azure Quantum é gratuito e não requer uma conta do Azure.

O Avaliador de Recursos fornece o número total de qubits físicos e lógicos, runtime, bem como detalhes das fórmulas e valores utilizados para cada estimativa. Isto significa que o desenvolvimento de algoritmos torna-se o foco, com o objetivo de otimizar o desempenho e diminuir o custo. Com o Avaliador de Recursos do Azure Quantum, pode comparar tecnologias de qubit, esquemas de correção de erros quânticos e outras características de hardware para compreender como afetam os recursos necessários para executar um programa quântico.

Pode começar a partir de definições de parâmetros de qubit bem conhecidas e predefinidas e esquemas de correção de erros quânticos (QEC) ou configurar definições exclusivas numa vasta gama de características da máquina, como taxas de erro de operação, velocidades de operação e esquemas e limiares de correção de erros.

Porque é que a estimativa de recursos é importante no desenvolvimento da computação quântica?

Embora os computadores quânticos prometam resolver problemas científicos e comerciais importantes, alcançar a viabilidade comercial exigirá computadores quânticos tolerantes a falhas em larga escala que tenham um grande número de qubits em sobreposição e taxas de erro físicos abaixo de um determinado limiar. A viabilidade comercial e científica exigirá igualmente esquemas QEC para alcançar a tolerância a falhas. O QEC consome tempo e espaço intensivo, o que requer um maior tempo de execução para operações de algoritmo ou de nível lógico, bem como qubits físicos adicionais para armazenar e calcular informações.

Com o Avaliador de Recursos, pode compreender o impacto das escolhas de design arquitetónico e dos esquemas de correção de erros quânticos. O Avaliador de Recursos irá ajudá-lo a compreender quantos qubits são necessários para executar uma aplicação, quanto tempo demorará a ser executada e quais as tecnologias de qubit mais adequadas para resolver um problema específico. Compreender estes requisitos irá permitir-lhe preparar e refinar soluções quânticas para serem executadas em máquinas quânticas dimensionadas futuras.

Que funcionalidades tornam o Avaliador de Recursos exclusivo?

O Avaliador de Recursos é uma ferramenta avançada que envolve todos os níveis de pilha de computação quântica. A pilha de computação quântica pode ser dividida em três níveis: o nível da aplicação, o nível de programação quântica ou compilação e o nível de hardware ou modelação.

O Avaliador de Recursos permite-lhe personalizar os parâmetros de cada nível e analisar como afetam os recursos gerais necessários para executar um programa quântico.

Personalização

Pode adaptar o Avaliador de Recursos e especificar as características do seu sistema quântico. Pode utilizar os parâmetros predefinidos target ou personalizá-los de acordo com as suas necessidades. Para obter mais informações, veja Personalizar estimativas de recursos para características da máquina.

Parâmetros de destino	Descrever o seu sistema
Modelo de qubit físico	Por exemplo, especifique o conjunto de instruções, o tempo de medição do qubit, as taxas de erro ou as horas da porta.
Esquema de correção de erros quântico	Por exemplo, especifique o número de qubits físicos por qubit lógico, a hora do ciclo lógico ou o limiar de correção de erros.
Orçamento do erro	Por exemplo, especifique o orçamento do erro para implementar qubits lógicos, destilação de estados T e síntese das portas de rotação.
Unidades de destilação	Por exemplo, especifique o número de estados T necessários para o processo de destilação, o número de estados T produzidos como saída do processo de destilação ou a probabilidade de falha do processo de destilação.
Restrições	Por exemplo, especifique o número máximo de qubits físicos, o runtime máximo ou o número máximo de cópias de fábrica T.

Flexibilidade

Pode trazer o seu próprio código e ferramentas de compilação para o Avaliador de Recursos. O Avaliador de Recursos suporta qualquer linguagem que se traduz em QIR, por exemplo, Q# e Qiskit. Veja Diferentes formas de executar o Avaliador de Recursos.

Estimativas múltiplas do Batch

O Avaliador de Recursos permite-lhe estimar os recursos necessários para executar o mesmo algoritmo quântico para diferentes configurações de target parâmetros e comparar os resultados. Desta forma, pode compreender como a arquitetura do qubit, o esquema QEC e o resto dos target parâmetros afetam os recursos gerais.

Otimização

Pode reduzir o tempo de execução do Avaliador de Recursos ao incorporar algumas estimativas no custo global. Por exemplo, se estiver a trabalhar com um programa grande, pode calcular e colocar em cache o custo das subroutinas ou, se já souber estimativas de uma operação , pode transmiti-las ao Avaliador de Recursos.

Visualização de recursos

Pode visualizar as desvantagens entre o número de qubits físicos e o runtime do algoritmo com o diagrama de espaço/hora, o que lhe permite encontrar a combinação ideal de {number de qubits, runtime} pares.

Também pode inspecionar a distribuição de qubits físicos utilizados para o algoritmo e as fábricas T com o diagrama de espaço.

Introdução ao Avaliador de Recursos

O Avaliador de Recursos faz parte do Azure Quantum Development Kit (QDK Moderno). Para começar, veja Executar a sua primeira estimativa de recursos.

A tabela seguinte mostra diferentes cenários de utilizador e os artigos recomendados para começar com o Avaliador de Recursos.

Cenário do utilizador	Quer
Estou a desenvolver códigos QEC	Pode utilizar o Avaliador de Recursos para personalizar os seus códigos QEC e comparar diferentes combinações de parâmetros. Veja Como personalizar os seus esquemas QEC.
Estou a desenvolver algoritmos quânticos	Ao analisar o impacto de diferentes configurações de perfis de hardware e software nos requisitos de recursos, pode obter informações sobre o desempenho do algoritmo quântico em diferentes condições de hardware e erro. Estas informações podem ajudá-lo a otimizar o algoritmo para taxas de erro ou hardware quântico específicos. Veja Executar várias configurações de target parâmetros.
Quero melhorar o desempenho dos programas quânticos	Para saber como tirar partido do poder do Avaliador de Recursos, veja Executar grandes programas e Utilizar estimativas conhecidas.
Estou interessado na computação quântica em grande escala	Pode utilizar o Avaliador de Recursos para analisar os recursos de problemas do mundo real que se espera que sejam resolvidos por computadores quânticos tolerantes a falhas em larga escala. Veja como em Estimativa de recursos para computação quântica em grande escala.
Estou a desenvolver criptografia com segurança quântica	Pode utilizar o Avaliador de Recursos para comparar o desempenho de diferentes algoritmos de encriptação, pontos fortes, tipos de qubit e taxas de erro e a sua resiliência a ataques quânticos. Veja Estimativa de recursos e criptografia.

Nota

Se tiver algum problema ao trabalhar com o Avaliador de Recursos, consulte a página Resolução de problemas.

Estimativa de recursos para computação quântica em grande escala

Se quiser desenvolver algoritmos quânticos para computadores quânticos em grande escala, veja o tutorial Estimar os recursos de um problema de química quântica .

Este tutorial representa um primeiro passo para integrar a estimativa de recursos de soluções quânticas em problemas de estrutura eletrónica. Uma das aplicações mais importantes de computadores quânticos dimensionados é a resolução de problemas de química quântica. A simulação de sistemas mecânicos quânticos complexos tem o potencial de desbloquear avanços em áreas como a captura de carbono, a insegurança alimentar e a conceção de melhores combustíveis e materiais.

Por exemplo, um dos Hamiltonianos utilizados neste tutorial, o nitrogenase_54orbital, descreve a enzima azotoase. Se conseguir simular com precisão como esta enzima funciona a nível quântico, pode ajudar-nos a compreender como a produzir em escala. Pode substituir o processo altamente intensivo em termos energéticos, que é usado para produzir fertilizantes suficientes para alimentar o planeta. Isto tem o potencial de reduzir a pegada de carbono global e também de ajudar a resolver preocupações relacionadas com a insegurança alimentar numa população em crescimento.