Abstracción de software: el eslabón perdido en la computación cuántica comercialmente viable
Las computadoras cuánticas prometen avances revolucionarios en potencia de procesamiento, pero conllevan una complejidad igualmente monumental. Para la mayoría de los usuarios, especialmente aquellos fuera del ámbito de la investigación, acceder al hardware cuántico aún se siente como navegar por un laberinto de herramientas de investigación de bajo nivel, rutinas de calibración engorrosas y soluciones de gestión de errores parciales que solo un selecto grupo de expertos puede manejar.
Mientras observamos una transición del hardware de computación cuántica desde los laboratorios de investigación a los centros de datos, ¿cómo puede esta experiencia de usuario cumplir con la verdadera promesa de la tecnología?
Necesitamos ir más allá de considerar únicamente el hardware básico y construir las mismas capas de abstracción que hacen que la computación clásica sea accesible para todo el mundo. Aquí profundizaremos y mostraremos cómo ese cambio ya está en marcha.
Hoy en día, los proveedores de hardware cuántico ofrecen generalmente motores de computación «bare metal», acompañados únicamente del software necesario para ejecutar tareas de bajo nivel. Esto crea un problema acuciante en la computación cuántica, ya que las máquinas no solo son increíblemente complejas de usar, sino también inherentemente frágiles y sufren errores de hardware. Estos errores se manifiestan como algoritmos fallidos sin una advertencia clara de un problema; el problema es simplemente endémico de las propias QPU y, por lo general, se deja al usuario la tarea de resolverlo.
Por consiguiente, en la mayoría de los entornos de investigación, los desarrolladores individuales son responsables de implementar soluciones para estabilizar el hardware y combatir errores durante la ejecución de sus cargas de trabajo computacionales. Sin embargo, esto requiere una amplia experiencia en computación cuántica y física cuántica; se trata del modelo de usuarios finales científicos, no de una adopción comercial generalizada.
Sin un cambio significativo, cualquiera que busque aprovechar la computación cuántica en el centro de datos se enfrentará a una gran presión para mejorar sus habilidades en las tareas de gestión de hardware necesarias. Se ven obligados a realizar arranques controlados por expertos, realizar intervenciones frecuentes para mantener un rendimiento adecuado e implementar herramientas personalizadas que permitan a los usuarios ejecutar cargas de trabajo útiles con la gestión integrada del rendimiento adecuada. Esto supone un importante coste para el usuario para aprovechar una nueva tecnología y probablemente represente una barrera insalvable para la mayoría de los candidatos pioneros.
En cambio, los operadores de centros de datos centrados en ofrecer el máximo valor a los usuarios finales pueden aliviar significativamente esta carga añadiendo la abstracción de software adecuada a las computadoras cuánticas.
El software de infraestructura cuántica ofrece esta abstracción esencial, convirtiendo las QPU de hardware en dispositivos útiles, de forma similar a como los proveedores de centros de datos integran el software de virtualización en sus sistemas convencionales. Las ofertas actuales cubren todas las funciones típicamente asociadas con el BIOS clásico, incluyendo los hipervisores de máquinas virtuales, y se extienden a las herramientas de desarrollo a nivel de aplicación.
La abstracción de la complejidad cuántica, impulsada por software y excluida de los usuarios finales, permite a cualquier persona, independientemente de su experiencia cuántica, aprovechar la computación cuántica para los problemas que más le importan. Aquí identificamos tres áreas clave donde la abstracción puede generar grandes beneficios, con soluciones disponibles hoy en día para implementar dicha abstracción:
Mantenimiento abstracto de hardware
La primera complejidad cuántica que los usuarios deben superar es el mantenimiento y la calibración de los dispositivos; estos dispositivos sensibles y cambiantes requieren atención continua para mantener su rendimiento en estándares aceptables. A diferencia del hardware informático tradicional, el hardware cuántico es no determinista y volátil. Esto significa que una simple rutina de pasos de calibración no es suficiente para que el hardware alcance un estado utilizable de forma consistente.
En cambio, se requiere un proceso mucho más adaptable. El software de calibración debe ser lo suficientemente robusto como para navegar por el complejo espacio de cúbits, acopladores, resonadores y más, para convertir esos componentes discretos en un procesador de información cuántica orquestado y de alto rendimiento. Además, debe considerar continuamente la influencia cambiante y ruidosa del entorno general. Debe funcionar siempre con solo pulsar un botón; solo mediante la entrega de resultados repetibles y de alta calidad se puede abstraer completamente este problema del usuario.
Afortunadamente, Boulder Opal de Q-CTRL permite esta experiencia de arranque de hardware totalmente autónoma. Desde un arranque en frío, el paquete arranca automáticamente el dispositivo, se ajusta al máximo rendimiento y se recalibra periódicamente para mantener la estabilidad y el rendimiento del sistema, todo ello sin intervención del operador. Esto se logra combinando años de control de inteligencia humana con automatización de IA basada en la física para ofrecer el máximo rendimiento del sistema en todo momento.
La autonomía en este entorno ahorra tiempo y costos a los operadores de centros de datos y HPC, y elimina la necesidad de tener expertos con doctorado de guardia para ajustar el rendimiento del sistema o solucionar fallos inevitables de los dispositivos. Al activarlo, el sistema estará listo para funcionar en poco tiempo.
Ejecución de carga de trabajo abstracta en hardware
Con una computadora cuántica finamente ajustada y accesible, un usuario aún debe ejecutar muchas tareas para extraer respuestas útiles de la QPU, en analogía con la necesidad de una gestión cuidadosa de la memoria requerida para obtener una aceleración práctica con las GPU.
Lo más importante es que, al ejecutar una carga de trabajo real, deben convertir definiciones lógicas de alto nivel en «lenguaje ensamblador» de aplicaciones cuánticas en instrucciones específicas del hardware en «lenguaje máquina» que tengan en cuenta los detalles de la QPU en uso e implementar contramedidas donde puedan filtrarse errores. Estas son típicamente tareas que solo pueden ser manejadas por especialistas (¡costosos!) en la operación de dispositivos cuánticos.
Fire Opal, también de Q-CTRL, es el primer y único paquete de software de infraestructura que automatiza un flujo de trabajo integral de ejecución y supresión de errores para ofrecer a los usuarios la mejor oportunidad de ejecutar una carga de trabajo exitosa, sin necesidad de un doctorado. Junto con Boulder Opal, Fire Opal toma la máquina de arranque automático e implementa automáticamente la compilación (conversión de lenguaje lógico a lenguaje máquina), junto con toda la tecnología de reducción de errores necesaria, solucionando los errores dondequiera que ocurran: desde puertas individuales hasta circuitos complejos. Acepta un algoritmo lógico y genera las instrucciones de máquina optimizadas para cada familia de QPU específica, con todas las contramedidas necesarias para evitar la aparición de errores.
Toda esta tecnología, que ha demostrado mejorar el rendimiento del hardware miles de veces, es totalmente autónoma e invisible para el usuario.
El resultado de esta abstracción es una QPU virtualizada, de modo que el usuario final puede programar a nivel lógico y obtener resultados útiles sin tener que preocuparse por los detalles de la ejecución de la carga de trabajo. Esto es sorprendentemente similar a cómo los hipervisores de VMware rompen el vínculo entre un procesador físico específico y un recurso computacional abstraído, y ofrece oportunidades igualmente importantes para el desarrollo de aplicaciones.
Abstraer completamente la computadora cuántica
Pasar de las pruebas de investigación a la ejecución de cargas de trabajo significativas de computación cuántica aún requiere un gran esfuerzo: diseño de algoritmos cuánticos eficientes, enrutamiento y gestión de datos cuánticos, e interfaces clásicas/cuánticas para computación híbrida. El lenguaje ensamblador, que suele utilizarse para programar computadoras cuánticas (la representación de circuitos cuánticos), resulta bastante inadecuado para estas tareas.
Ahora, al combinar hardware cuántico que ejecuta software de infraestructura de gestión de rendimiento con herramientas para desarrolladores y módulos de aplicación , la computación cuántica se puede abstraer hasta el nivel de problema, expandiendo dramáticamente la accesibilidad y la utilidad.
A partir de una QPU virtualizada que ejecuta software de infraestructura cuántica para la gestión del rendimiento, las integraciones con socios de Q-CTRL pueden simplificar el diseño y la implementación de algoritmos a escalas comercialmente relevantes. Los usuarios pueden automatizar el diseño de circuitos cuánticos con un algoritmo cuántico específico o simplemente programar sus problemas con lenguajes comunes como Python, mientras que las soluciones de software intermediarias gestionan toda la compilación cruzada hasta el lenguaje ensamblador, además de todo el posprocesamiento y el análisis.
Como ejemplo concreto, el solucionador de optimización Fire Opal toma como entrada un problema de optimización matemática definido con las mismas entradas que los solucionadores clásicos como Gurobi o CPlex. Una vez definido el problema, el solucionador genera todos los circuitos cuánticos relevantes, incorpora gestión del rendimiento para la reducción de errores y orquesta el bucle híbrido cuántico/clásico. El usuario programa de la misma manera que resolvería un problema en hardware convencional, y todos los demás aspectos se abstraen de forma invisible.
¡Es computación cuántica sin que sepas que estás usando una computadora cuántica!
Al automatizar la calibración del sistema, optimizar la ejecución de la carga de trabajo y permitir a los usuarios finales programar a nivel de problema, no a nivel de circuito cuántico, las soluciones de software de infraestructura cuántica están redefiniendo el uso de una computadora cuántica. La era del acceso exclusivo para especialistas está dando paso a una amplia utilidad, gracias a abstracciones de software inteligentes que hacen que la computación cuántica sea accesible y potente.
(datacenterdynamics.com)
Les estaremos informando con mucho más detalle, en el marco del informe especial: “Soluciones y productos de infraestructura para edificios y ciudades inteligentes (Sistemas BIM y BMS), POL (Passive Optical LAN). Seguridad integrada, video vigilancia y control de acceso. Casos de uso y aplicabilidad de cada solución y producto, incluyendo la colaboración digital (relacionado a realidad virtual sistema BIM) (Gemelos digitales). Buenas prácticas ambientales.», que estamos preparando para nuestra edición 216 y publicaremos en el mes de julio.
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