Zbudowałem symulator czeskiego komputera kwantowego. Teraz możesz wypróbować go bezpłatnie z domu

Pięć dni temu po raz pierwszy wysłałem obwód do prawdziwego komputera kwantowego VLQ w Ostrawie. Dziś mam za sobą 24 rzeczywiste zadania, setki obwodów, kilka bardzo precyzyjnych pomiarów, kilka pożytecznych ślepych uliczek i jedną nieprzyjemną odpowiedź: mój pierwotny eksperyment flagowy nie przyniósłby na obecnym sprzęcie przełomu, lecz pewny siebie i błędny wynik.

To nie jest porażka. To jest dokładnie taki rezultat, jaki powinien dać dobry eksperyment przed wydaniem całego budżetu.

W międzyczasie zbudowałem VLQ Lab, interaktywny symulator konkretnego czeskiego komputera kwantowego. Potrafi składać i tłumaczyć obwody, pokazywać przepływ amplitud, pobierać codzienną kalibrację, szacować błędy i koszty na QPU oraz porównywać przewidywania z tym, co faktycznie wróciło z maszyny.

Możesz go otworzyć bezpośrednio pod adresem qlab.alphai.cz. Każdy może zalogować się przez Google lub dowolnym adresem e-mail. Sam symulator działa w przeglądarce, jest bezpłatny i nie ma limitów; ograniczenia dotyczą tylko serwerowych funkcji Alfa Wilka i czytania na głos.

Dla czytelnika nietechnicznego wystarczą cztery terminy. Kubit nie jest „jednocześnie zerem i jedynką”, ale stanem, który można traktować jako strzałkę w przestrzeni. Brama to operacja zmieniająca stan. Splątanie oznacza, że ​​dwa kubity mają wspólny opis, chociaż każdy z nich wygląda losowo. Strzał to jedno wykonanie obwodu i jeden odczyt wyniku; dlatego ten sam obwód powtarza się tysiące razy.

Każdy może wypróbować VLQ Lab

Whitelist nie jest już barierą dostępu. Po zalogowaniu każdy otrzymuje pełny symulator i podstawowy dostęp do przewodnika:

Aktualne limity są widoczne po zalogowaniu. Osoby potrzebujące szerszego dostępu do nauczania, badań lub własnych eksperymentów mogą się ze mną skontaktować.

Logowanie działa przez Google lub jednorazowy link wysłany na dowolny adres e-mail.

Kto za to płaci? VLQ Lab jest bezpłatny i nie ma reklam. Publiczny przydział EuroHPC pokrywa czas obliczeniowy na VLQ. Alpha Industries s.r.o. finansuje rozwój symulatora, serwer, domenę, głos i model językowy Alfa Wilka. Ani jedno pytanie do Wilka nie jest opłacane z przydzielonego czasu obliczeniowego. Limity chronią prywatnie finansowaną usługę i pomagają udostępnić ją jak największej liczbie osób.

Dlaczego zacząłem od symulatora, a nie od obwodu

W projekcie EU-26-106 przydzielono mi przez EuroHPC 50 000+ sekund QPU. Badam, czy wybór panelu modeli językowych można sformułować jako problem optymalizacji kwadratowej i czy hybrydowy kwantowo-klasyczny algorytm QAOA mógłby w tym pomóc.

Do końca sierpnia wysłałem na fizyczną maszynę 24 zadania. Już ta pierwsza seria przyniosła wnioski, które zasadniczo zmieniają dalszy plan, mimo że wykorzystała tylko niewielką część przydzielonego czasu.

Najpierw potrzebowałem środowiska, w którym można bezpłatnie popełniać błędy. Typowy idealny symulator pomija właśnie to, co decyduje o pracy dzisiejszych urządzeń kwantowych: szum, dekoherencję, błędy odczytu, topologię układu i rzeczywistą translację obwodu.

Dlatego VLQ Lab nie symuluje abstrakcyjnego komputera kwantowego. Próbuje modelować konkretny 24-kubitowy VLQ, zbudowany przez IQM i obsługiwany przez IT4Innovations w Ostrawie.

Układ chipu: pośrodku nie ma kubitu

Dwadzieścia cztery kubity nadprzewodzące wokół rezonatora CR1. Kolor wyraża jakość zgodnie z wybraną dzienną kalibracją, kubity bieżącego zadania są zielone, a krzyżyk wskazuje element chwilowo niedostępny.

VLQ działa w temperaturze około 10 milikelwinów, czyli mniej więcej jedną setną kelwina powyżej zera absolutnego. Jego architektura ma topologię gwiazdy. Pośrodku nie znajduje się kolejny kubit, ale rezonator CR1, który pełni rolę stacji transferowej.

Gdy dwa kubity mają wykonać wspólną operację, stan jednego z bramką MOVE przesuwa się do rezonatora, tam następuje CZ i stan jest zwracany. Zaleta jest elegancka: wszystkie kubity są jednakowo odległe pod względem łączności. Wada jest nie mniej istotna: jest tylko jeden rezonator, więc operacje na dwóch kubitach przebiegają w nim sekwencyjnie.

To właśnie ta cecha ostatecznie wyjaśniła większość różnic pomiędzy pierwszą wersją symulatora a maszyną fizyczną.

Kreator obwodów: co maszyna naprawdę potrafi

Paleta umożliwia przeciąganie lub klikanie bramek. Turkus może bezpośrednio VLQ, fioletowy musi zostać przetłumaczony przez rezonator.

Użytkownik może kliknąć obwód podobny do zestawu. Ale symulator natychmiast rozróżnia to, co rysujemy, od tego, co sprzęt może fizycznie zrobić. Natywny zestaw VLQ jest zaskakująco mały: PRX, RZ, CZ i MOVE. Hadamard, CNOT, SWAP i inne bramki podręcznikowe muszą zostać rozłożone.

CNOT to jeden symbol w podręczniku. W topologii gwiazdy VLQ oznacza dwie bramki Hadamarda, dwie ścieżki MOVE i jedną CZ.

MOVE przenosi stan kubitu do rezonatora i z powrotem. To specjalność architektury gwiazdy IQM i zarazem jej najbardziej obciążona część.

Karta każdej bramy posiada opis, macierz, notację Diraca oraz rzeczywisty koszt tłumaczenia. To nie tylko podręcznikowa dekoracja. Obwód z dwudziestoma bramkami logicznymi po przetłumaczeniu może zawierać setki operacji fizycznych i zachowywać się zupełnie inaczej, niż sugeruje to jego rysunek.

Przepływ amplitudy: zobacz, skąd pochodzi odpowiedź

Stan dzwonka krok po kroku. Ścieżki pokazują, gdzie płynie amplituda; przerywane gałęzie są przerwane. Poniżej znajdują się wynikowe prawdopodobieństwa i sfery Blocha obu kubitów.

Histogram na końcu pokaże co wyszło. Przepływ amplitud pokazuje dlaczego. Po bramce Hadamarda stan się rozdziela, CNOT łączy gałąź 00 z 11, a zakłócające ścieżki mogą się wzajemnie wzmacniać lub znosić.

Myślę, że jest to lepsze wyjaśnienie obliczeń kwantowych niż popularne powiedzenie, że komputer „wypróbuje wszystkie możliwości na raz”. Samo wypróbowanie opcji nie pomoże. Algorytm musi zadbać o to, aby amplitudy błędnych reakcji zostały zniesione, a prawidłowe wzmocnione.

Ile będzie kosztować eksperyment?

VLQ Lab rozróżnia czas bramki, czas przetwarzania końcowego, minimalną cenę zadania i liczbę zdjęć. Harmonogram umożliwia serializację operacji na dwóch kubitach za pośrednictwem CR1.

Na początku zaskoczył mnie sposób rozliczania. Nie płaci się ani za czas rzeczywisty, ani wyłącznie za czas bramek. Zgodnie z dokumentacją IT4I górny szacunek wynosi około 400 mikrosekund na shot: do 50 mikrosekund dla obwodu i około 350 mikrosekund przetwarzania końcowego. Każde wysłane zadanie ma ponadto minimalną opłatę 0,9 sekundy QPU.

Wynika z tego praktyczna granica 2250 shotów na zadanie. Poniżej niej płacę tyle samo, nawet jeśli wykonuję mniej pracy, dlatego łączę obwody w partie. Osiem obwodów testu Bella po 320 shotów zmieściło się w jednym zadaniu przy minimalnej opłacie. Wysłanie ich osobno byłoby wielokrotnie droższe.

Mój dziennik nie ukrywa także nieudanych przebiegów. Najważniejsza lekcja była prosta: najpierw transpilować i walidować lokalnie przez IQMFacadeBackend, a dopiero potem wysyłać zadanie do QPU. Kontrola lokalna pozwala wykryć większość błędów, zanim zaczną zużywać przydzielony czas.

Cztery kroki, w których model poznawał rzeczywistość

1. Kalibracja historyczna przestała przewidywać teraźniejszość

Zacząłem od przydatnego repozytorium JiriTomcala/FakeVLQ, opublikowanego przez Jiříego Tomčalę z IT4I. Zawiera ono trzy migawki rzeczywistych kalibracji z marca i maja oraz generator profilu szumu.

Kiedy 26 sierpnia porównałem majową migawkę z aktualnym pomiarem, korelacja wyniosła zaledwie +0,015, a wśród pięciu najlepszych kubitów nie było żadnego wspólnego. To nie jest wada repozytorium, lecz dowód dryfu sprzętu. Stare kalibracje świetnie nadają się do badania zmian, ale nie do wyboru dzisiejszych kubitów.

Dlatego przy uruchomieniu symulator pobiera aktualną publiczną kalibrację VLQ. API pokazuje bieżący stan i potrafi zwrócić konkretną kalibrację po jej identyfikatorze, ale nie udostępnia przeglądu całej historii. Niezapisana migawka może później zniknąć z zasięgu. Trzy wiosenne migawki w FakeVLQ są więc cennym publicznym zapisem dryfu. Od teraz archiwizuję również własne kalibracje.

2. Model był pesymistyczny w przypadku małych obwodów i optymistyczny w przypadku większych

Przy dwóch i czterech kubitach sprzęt był lepszy, niż oczekiwał symulator. Przy ośmiu kubitach jest gorzej. Dlatego model nie był w stanie uchwycić, jak szybko jakość spada wraz z szerokością obwodu.

3. Qubit starzeje się według całkowitej liczby godzin

Błąd tkwił w moim modelu dekoherencji. Każdy kubit starzał się tylko przez czas trwania własnych bramek. W rzeczywistości jednak czeka przez cały czas, gdy pozostałe kubity przechodzą kolejno przez jeden rezonator.

Typowy sześciokubitowy obwód z 24 bramkami CZ trwał 5,25 mikrosekundy, podczas gdy pierwszy model liczył dla każdego kubitu tylko 1,18 mikrosekundy. Po poprawce przewidywana retencja spadła z 0,48 do 0,18, a więc znalazła się w podobnym rzędzie wielkości co zmierzone 0,16. Nie jest to porównanie jeden do jednego: model korzystał z marcowej kalibracji z p = 2, a pomiar z 26 sierpnia wykonano z p = 1. Najważniejsze, że poprawka przesunęła model we właściwym kierunku.

4. Obwody lustrzane ujawniły prawo skalowania błędu

Do testu lustra uruchamiamy losowy obwód U i natychmiast jego odwrotność U†. Prawidłowy wynik to zawsze |0…0⟩, więc nie można go ukryć za wyborem metryki.

Wartość 1,36% nie oznacza więc błędu samej bramki CZ. Jest to oszacowanie całej złożonej operacji logicznej na parze kubitów: CZ 0,61% + 2× MOVE 0,38%.

Błąd operacji nie jest stałą uniwersalną. Gdy obwód rośnie, bramka zajmuje rezonator, a wszystkie pozostałe kubity nadal ulegają dekoherencji. To nie tylko cecha bramki, lecz całego obwodu: im więcej kubitów czeka, tym droższa staje się każda operacja dwukubitowa. W moim układzie dodanie kubitu bolało bardziej niż dodanie kolejnej bramki.

Co poszło dobrze

Nierówność Bella: 9,6 sigma powyżej klasycznej granicy

Test Bella mierzy cztery kombinacje załadowanych zasad. Ich korelacja składa się na pojedynczą liczbę S z twardą klasyczną granicą 2.

Dla najlepszej pary zmierzyłem S = 2,763 ± 0,079. Jest to 9,6 odchylenia standardowego powyżej klasycznej granicy 2 i 97,7% kwantowego maksimum Tsirelsona 2√2.

Najgorzej wybrana para to S = 2,144. Ona również przekroczyła granicę, ale znacznie mniej. Oprócz wyjaśnień symulator jest w stanie pokazać, dlaczego świeża kalibracja i wybór konkretnej pary nadal odgrywają rolę.

Najlepszy kubit odpowiadał opublikowanemu poziomowi

Dla kubitu QB5 oszacowałem wierność pojedynczego kubitu na 99,936%. Dla porównania IQM publikuje 99,94% dla siostrzanego systemu Deneb. Nie jest to pełny niezależny benchmark całego urządzenia, ale zachęcające potwierdzenie, że najlepsza część układu osiąga oczekiwany poziom. Rozrzut między kubitami był jednak około 9,5-krotny.

Zarejestrowana predykcja w końcu się sprawdziła

Dla ostatniego splątanego próbnika zapisałem przed uruchomieniem prognozę korelacji 0,284. Maszyna zwróciła 0,270. Obwód kontrolny bez splątania dał −0,000 ± 0,014, więc sygnał nie był jedynie artefaktem odczytu.

Zakładka wyników pokazuje prawdopodobieństwo uzyskania optymalnego wyniku, retencję, odległość od rozkładu idealnego oraz liczbę strzałów. Liczby z symulacji i z maszyny są zawsze zaznaczane osobno.

Co nie zadziałało i dlaczego jest bardziej przydatne

Pierwotny eksperyment z flagą polegał na wypuszczeniu panelu dwunastu kandydatów: 66 obligacji i po translacji 132 bramek CZ. Szacowany koszt wyniósł około 400 sekund QPU.

Przed uruchomieniem wykonałem niedrogi skan głębokości. Przy 132 bramkach korelacja z poprawnym rozwiązaniem wyniosła r = −0,75, czyli 26 sigma poniżej zera. Obwód nie zwrócił losowego szumu; systematycznie preferował złe rozwiązania.

Dlatego nie wysłałem pierwotnego eksperymentu. Za ułamek planowanego czasu ustaliłem, że obecny sprzęt dla tej głębokości znajduje się poza granicą użyteczności.

Drugi zimny prysznic dotyczył metodologii. Małe instancje koalicji mają od pięciu do sześciu kubitów, czyli najwyżej 63 niepuste podzbiory. Dokładny klasyczny solwer sprawdza je w mikrosekundach. Wśród 50 spornych pytań z odłożonego zbioru testowego, na które odpowiedziały wszystkie konfiguracje, koalicyjne podejście było lepsze trzy razy i ani razu gorsze. Wynik nie jest jednak statystycznie rozstrzygający (p = 0,125). W czysto lokalnym panelu nie zmieniło ani jednej odpowiedzi.

Nie oznacza to jednak, że optymalizacja kwantowa jest bezcelowa. Oznacza to, że najpierw samo sformułowanie problemu musi odnieść sukces w porównaniu z prostą klasyką. Komputer kwantowy nie jest w stanie zapisać źle zadanego pytania.

Alfa Wilk uczy, ale nie wymyśla fizyki

W Szkole każde zadanie ma cel, ograniczoną paletę bramek i automatyczne sprawdzanie. Alpha Wolf doradza na początku, po rozwiązaniu problemu lub na żądanie.

Alfa Wilk prowadzi użytkownika przez zakładkę Szkoła. Zamiast pustego płótna użytkownik otrzymuje konkretne zadanie, ograniczony zestaw bramek i automatyczną kontrolę wyniku. Może w ten sposób przejść od pierwszego obrotu kubitu do splątania i interferencji.

Podstawowe wskazówki dydaktyczne Wilka są napisane i sprawdzone z wyprzedzeniem, a nie generowane przez model językowy w czasie działania. W mechanice kwantowej precyzja jest ważniejsza niż nieskończona różnorodność. Dostępna jest również opcjonalna funkcja AI Zapytaj Wilka; właśnie jej dotyczą dzienne limity.

Podstawy bez skrótów, których potem trzeba się oduczyć

Każdy rozdział kończy się linkiem do funkcji, w której można bezpośrednio przetestować opisywane zjawisko.

W Podstawach celowo nie piszę, że kubit jest po prostu zerem i jedynką jednocześnie ani że komputer kwantowy na ślepo wypróbowuje wszystkie możliwości. Takie porównania są atrakcyjne, ale szybko przestają wystarczać. Łączę wyjaśnienie z kreatorem obwodów, testem Bella i przepływem amplitud, tak aby każde stwierdzenie miało obserwowalną konsekwencję.

Pięćdziesiąt pięć źródeł, w tym 53 ze sprawdzonym linkiem

Pierwsza grupa zasobów obejmuje VLQ: dokumentację dostępową i księgową, API kalibracji, klienta qaas, FakeVLQ oraz pierwsze projekty na maszynie.

Na dzień 30 sierpnia aplikacja zawiera 55 źródeł w ośmiu grupach. W przypadku 53 z nich ręcznie otworzyłem i sprawdziłem link. Dwie polecane książki, Michia Kakua i Davida Deutscha, nie mają linków:

• 9 źródeł bezpośrednio do VLQ,
• 5 artykułów na temat architektury gwiazdowej,
• 7 ogólnodostępnych materiałów czeskich i słowackich,
• 4 miejsca, w których możesz spróbować obliczeń kwantowych,
• 11 zasobów na styku sztucznej inteligencji i obliczeń kwantowych,
• 10 katalogów algorytmów i aplikacji,
• 3 teksty o możliwościach i ograniczeniach urządzeń NISQ,
• 6 polecanych książek.

Dla każdego linku wyjaśniam, dlaczego znalazł się na liście i jakie są jego ograniczenia. Sama wyszukiwarka potrafi dziś stworzyć listę odnośników; użyteczna staje się ona dopiero dzięki krytycznej lekturze.

Dużą część zasługi za to, że w ogóle dotarłem do maszyny, mają otwarte narzędzia czeskiego zespołu: Quantum as a Service od IT4Innovations, wspomniane FakeVLQ, dokumentacja VLQ i publiczne API kalibracji. Sprawiają, że kwant jako usługa jest praktycznym rozwiązaniem, a nie metaforą marketingową.

Sztuczna inteligencja i obliczenia kwantowe prowadzą w dwóch kierunkach

Po lewej stronie znajdują się próby wykorzystania obliczeń kwantowych do uczenia maszynowego, po prawej metody sztucznej inteligencji pomagające projektować, kalibrować i naprawiać maszyny kwantowe.

Kwant dla AI to głośniejszy kierunek: jądra kwantowe, klasyfikatory wariacyjne czy kwantowe sieci neuronowe. W przypadku klasycznych danych spotyka się z kosztowną rejestracją wejścia w stan kwantowy i szumem współczesnych urządzeń.

Sztuczna inteligencja dla maszyn kwantowych jest mniej efektowna, ale daje solidniejsze wyniki. Dekodery neuronowe pomagają w korekcji błędów, uczenie przez wzmacnianie szuka lepszych obwodów, a modele uczą się szumu konkretnego urządzenia. W tym kierunku zmierza również moja kalibracja symulatora na podstawie zmierzonych przebiegów.

Mapa łączy osiem pól z określonymi algorytmami i zwraca uwagę na granice bieżących demonstracji. Na przykład wyżarzacz D-Wave to nie to samo, co bramka VLQ.

Symulator w ruchu

Przepływ amplitud, obrót kuli Blocha i bieg z prawdziwym szumem najlepiej widać na filmie:

Otwórz wideo bezpośrednio na YouTube

Gdzie jestem dzisiaj

Mam za sobą 24 rzeczywiste zadania. Zmierzyłem nierówność Bella 9,6 sigma powyżej klasycznej granicy, poprawiłem model czasu dekoherencji i zatrzymałem eksperyment, który byłby kosztowny i bezwartościowy. Sprawdziłem też, że niektóre pytania można rozwiązać dokładnie metodami klasycznymi, zanim sprzęt kwantowy stanie się w ogóle potrzebny.

Dlatego najcenniejszym wynikiem nie jest pojedyncza liczba. To nawyk spisywania przewidywań przed uruchomieniem, zapisywania nawet nieudanych zadań i naprawiania modelu zamiast historii po każdej rozbieżności.

Jeśli interesują Cię obliczenia kwantowe, zacznij na qlab.alphai.cz od zakładki Podstawy, następnie zbuduj obwód w Kreatorze obwodów i na koniec prześledź Przepływ amplitudy. Nie musisz instalować Qiskit ani stać przy kriostacie w Ostrawie. Wystarczy przeglądarka i gotowość, by od czasu do czasu zakwestionować własne pomysły.

Dzisiaj komputery kwantowe nie potrafią prawie nic z tego, co często się o nich pisze. Ale to, co naprawdę robią, jest mierzalne, weryfikowalne i wręcz dziwne. Jedna z takich maszyn znajduje się w Ostrawie.

Linki i źródła

Do dalszej nauki polecam przede wszystkim oryginalne materiały, z których korzystałem podczas budowy i pomiarów:

VLQ i dostęp: opis VLQ w IT4Innovations, instrukcja dostępu, rozliczanie czasu QPU, aktualna kalibracja, Quantum as a Service i FakeVLQ.

Architektura i błędy: procesor w architekturze kubit-rezonator, detekcja błędów kwantowych w tej architekturze, probabilistyczna korekcja błędów i dzielenie obwodów dla hybrydowego HPC.

Możliwości i ograniczenia: Quantum Algorithm Zoo, przegląd zastosowań i pełnej złożoności obliczeń, wyzwania optymalizacji kwantowej i trzeźwe spojrzenie Scotta Aaronsona na kwantowe uczenie maszynowe.

AI i obliczenia kwantowe: AlphaQubit, optymalizacja obwodów za pomocą AlphaTensor, znaczenie danych w kwantowym uczeniu maszynowym i pytanie, czy przewaga kwantowa jest właściwym celem QML.

Wszystkie 55 źródeł z krótkimi komentarzami znajduje się w zakładce Źródła w VLQ Lab.

Podziękowania dla ludzi

Dziękuję Jakubowi Siwkowi za to, że skłonił mnie do poważnego zajęcia się obliczeniami kwantowymi i zorganizował moje pierwsze spotkanie z profesorem. Zuzanie Lichovníkovej z IT4Innovations dziękuję za szybkie odpowiedzi na moje pytania i pomoc zawsze, gdy potrzebowałem wsparcia przy dostępie do VLQ.

Dziękuję także EuroHPC, IT4Innovations i całemu czeskiemu zespołowi, który udostępnia VLQ jako usługę. Dzięki ich pracy korzystanie z czeskiego komputera kwantowego nie wymaga walizki pełnej kabli. Potrzebne są zatwierdzony projekt, konto i dobrze przygotowany obwód.

Finansowanie i pochodzenie pracy

Czas obliczeniowy na komputerze kwantowym VLQ został przydzielony mojemu projektowi EU-26-106 za pośrednictwem EuroHPC. Praca korzysta ze wsparcia Ministerstwa Edukacji, Młodzieży i Sportu Republiki Czeskiej poprzez e-INFRA CZ (ID: 90254). Wsparcie dotyczy infrastruktury obliczeniowej i czasu maszynowego na VLQ i LUMI, a nie rozwoju ani działania aplikacji.

Alpha Industries s.r.o. finansuje VLQ Lab, jego działanie, domenę, przewodnika Alfa Wilka i czytanie na głos. Aplikacja jest bezpłatna, nie ma reklam i niczego nie sprzedaje. Zbudowałem ją, ponieważ materiałów o obliczeniach kwantowych w języku czeskim jest mało i chciałem, aby każdy mógł ich spróbować bez instalowania czegokolwiek.

Symulator i analizy eksperymentalne są moją własną pracą. Dane kalibracyjne pochodzą z publicznego API IT4Innovations.