Науковці здійснили прорив у сфері квантових обчислень, розробивши нову технологію, що вперше дозволяє кільком користувачам одночасно запускати програми на одному квантовому комп’ютері. Ця інноваційна система, що отримала назву “HyperQ”, є різновидом технології віртуалізації, яка здатна розподіляти робочі навантаження, поділяючи фізичне апаратне забезпечення квантового комп’ютера на численні ізольовані квантові віртуальні машини (qVMs). Ці машини, у свою чергу, отримують завдання від інтелектуального планувальника.
Представники Колумбійського університету заявили, що цей планувальник працює “як досвідчений гравець у Тетріс”, інтегруючи кілька qVMs для одночасного виконання на різних частинах єдиної машини. Кінцевим результатом є один квантовий комп’ютер, здатний підтримувати багатьох користувачів, які виконують різні застосунки. Дослідники опублікували свої висновки в липні у новому дослідженні, представленому на 19-му симпозіумі USENIX з проектування та впровадження операційних систем (OSDI ’25).
Довідкова інформація:
Квантовий комп’ютер — це обчислювальний пристрій, який використовує явища квантової механіки, такі як суперпозиція та заплутаність, для обробки інформації. На відміну від класичних комп’ютерів, що оперують бітами (0 або 1), квантові комп’ютери використовують кьюбіти, які можуть існувати в кількох станах одночасно, потенційно забезпечуючи значно вищу обчислювальну потужність для певних типів завдань.
Колумбійський університет — один з найстаріших і найпрестижніших університетів США, розташований у Нью-Йорку. Відомий своїми дослідженнями та освітніми програмами у багатьох галузях, включаючи науку та інженерію.
USENIX Symposium on Operating System Design and Implementation (OSDI) — це одна з найвизначніших конференцій у галузі операційних систем та розподілених систем, де представляються передові дослідження та розробки.
“HyperQ привносить віртуалізацію хмарного типу у квантові обчислення”, — зазначив у заяві співавтор дослідження Джейсон Ні, професор комп’ютерних наук Колумбійської інженерної школи. “Він дозволяє одній машині запускати кілька програм одночасно — без перешкод, без черг”.
Довідкова інформація:
Джейсон Ні — відомий професор комп’ютерних наук у Колумбійській інженерній школі, спеціалізується на операційних системах, розподілених системах та комп’ютерних мережах.
Ефективність завдяки віртуалізації
Типові квантові комп’ютери, що базуються на логічних елементах, є надзвичайно дорогими порівняно з їхніми бінарними аналогами. Згідно з даними Quantum Zeitgeist, витрати на дослідження та розробку маломасштабної квантової обчислювальної системи коливаються від 10 до 15 мільйонів доларів. Це ще до врахування витрат на обслуговування, які оцінюються у понад мільйон доларів на рік, а також розробки програмного забезпечення та програмування.
Попри високі витрати на розробку та експлуатацію, більшість квантових комп’ютерів зазвичай здатні підтримувати лише однокористувацькі операції. Це зумовлено внутрішньо взаємопов’язаною природою кьюбітів — квантових еквівалентів класичних комп’ютерних бітів — з яких вони складаються.
Довідкова інформація:
Кьюбіти (від англ. quantum bit) — це базові одиниці інформації в квантових обчисленнях, що, на відміну від класичних бітів, які можуть бути лише в стані 0 або 1, можуть перебувати в суперпозиції обох станів одночасно, а також бути заплутаними один з одним, що відкриває нові можливості для обчислень.
Дослідники надихнулися технологією віртуалізації, яка лежить в основі сучасних хмарних обчислювальних сервісів, таких як Amazon Web Services (AWS) та Microsoft Azure. У класичному обчислювальному середовищі віртуальної машини (VM) програмний шар, званий гіпервізором або монітором віртуальних машин, розподіляє невикористані ресурси окремим VM, які працюють повністю незалежно одна від одної.
Довідкова інформація:
Віртуалізація — це технологія, що дозволяє створювати віртуальні версії ресурсів, таких як обчислювальні системи, операційні системи, сховища даних або мережеві ресурси. Це дає змогу ефективніше використовувати апаратне забезпечення та запускати кілька ізольованих середовищ на одній фізичній машині.
Amazon Web Services (AWS) та Microsoft Azure — це дві з найбільших платформ хмарних обчислень у світі, що надають широкий спектр послуг, від віртуальних серверів до машинних обчислень та зберігання даних.
Однак у квантовому середовищі вченим доводиться враховувати “шум” у квантовому сигналі, який може поширюватися по всій системі. HyperQ обходить цю проблему, ізолюючи кожну qVM за допомогою “буфера” з неактивних кьюбітів, таким чином нівелюючи потенційну можливість “перехресних перешкод” від шуму.
“Попередні зусилля вимагали спеціалізованих компіляторів і необхідності точно знати, які програми працюватимуть разом заздалегідь”, — зазначив провідний автор статті Ранчжоу Тао, колишній докторант Лабораторії програмних систем Колумбійського університету. “Наш підхід працює динамічно з існуючими інструментами квантового програмування, що набагато гнучкіше та практичніше для реального використання”.
Довідкова інформація:
Ранчжоу Тао — колишній докторант Колумбійського університету, який брав участь у розробці системи HyperQ та є провідним автором наукової публікації, що описує цю технологію.
Динамічна багатозадачність
Квантові програми зазвичай виконуються за передбачуваною схемою кьюбітів. Дослідники стверджують, що HyperQ визначає оптимальні часові інтервали для кожного запиту користувача та розподіляє ресурси як у часі, так і в просторі, визначаючи, які кьюбіти будуть необхідні для кожного запиту та як довго вони будуть активними.
Це може здатися простим завданням паралельного планування, але попередні системи керування машинами вимагали від користувачів стояти в черзі, щоб система могла попередньо скомпілювати їхні запити для виконання. HyperQ вводить концепцію, що називається “динамічна багатозадачність”, яка спрощує використання, дозволяючи компілювати програми незалежно для qVMs різного розміру.
Команда протестувала свій програмний шар HyperQ на квантовому комп’ютері IBM Brisbane, 127-кьюбітній системі, що базується на чипсеті Eagle. Згідно з дослідженням, HyperQ скоротив середній час очікування користувачів до 40 разів, зменшивши час виконання проєктів з “днів до кількох годин”. Це також дозволило збільшити кількість виконаних квантових програм до десяти разів.
Довідкова інформація:
IBM Brisbane та чипсет Eagle — це компоненти сучасних квантових комп’ютерів, розроблених компанією IBM. Brisbane є однією з моделей квантових процесорів IBM, що використовує архітектуру чипсета Eagle, відомого своєю великою кількістю кьюбітів (127), що дозволяє виконувати складніші квантові обчислення.
Надалі команда має намір розширити функціональність HyperQ для роботи з усіма архітектурами квантових обчислень, включно з машинами інших виробників, окрім IBM.
