'Like A Master Tetris Player': Ilmuwan menciptakan mesin virtual kuantum – mereka akan memangkas waktu penyelesaian dari hari ke jam
Para ilmuwan telah menemukan teknologi komputasi baru yang memungkinkan banyak orang menjalankan program di a jumlah komputer untuk pertama kalinya.
Dijuluki “HyperQ,” sistem baru adalah jenis teknologi virtualisasi yang menyeimbangkan beban kerja dengan membagi perangkat keras fisik komputer kuantum menjadi beberapa mesin virtual kuantum terisolasi (QVM) yang kemudian ditugaskan oleh penjadwal cerdas.
Penjadwal ini beroperasi “seperti pemain utama Tetris Player” yang mengemas banyak QVM bersama -sama untuk berjalan secara bersamaan di berbagai bagian mesin tunggal, kata perwakilan Columbia dalam a penyataan. Hasil akhirnya adalah komputer kuantum tunggal yang mampu mendukung banyak pengguna yang menjalankan aplikasi yang berbeda. Para ilmuwan menerbitkan temuan mereka pada bulan Juli, dalam sebuah studi baru yang ditampilkan di Simposium Usenix ke -19 tentang Desain dan Implementasi Sistem Operasi (OSDI '25).
“HyperQ membawa virtualisasi gaya cloud ke komputasi kuantum,” coauthor studi Jason NiehProfesor Ilmu Komputer di Columbia Engineering, mengatakan dalam pernyataan itu. “Ini memungkinkan satu mesin menjalankan beberapa program sekaligus – tidak ada gangguan, tidak ada dalam antrean.”
Efisiensi melalui virtualisasi
Komputer kuantum berbasis gerbang yang khas mahal dibandingkan dengan rekan-rekan binernya. Menurut Data dari kuantum zeitgeistbiaya penelitian dan pengembangan untuk sistem komputasi kuantum skala kecil berkisar dari $ 10 juta hingga $ 15 juta. Itu sebelum Wecount biaya pemeliharaan, yang diperkirakan lebih dari satu juta dolar per tahun, dengan perangkat lunak dan pengembangan pemrograman di atas.
Meskipun biaya pengembangan dan operasional yang tinggi, sebagian besar komputer kuantum biasanya hanya mampu mendukung Operasi Pengguna Tunggal karena intrinsik interkoneksi sifat qubit – Kuantum setara dengan bit komputer klasik – mereka terdiri.
Para peneliti mengambil inspirasi dari teknologi virtualisasi yang mendukung layanan komputasi awan modern seperti Amazon Web Services (AWS) dan Microsoft Azure. Dalam lingkungan Computing Virtual Machine (VM) klasik, lapisan perangkat lunak yang disebut hypervisor atau monitor mesin virtual mengalokasikan sumber daya yang tidak digunakan untuk VM individu yang berjalan sepenuhnya independen satu sama lain.
Namun, dalam lingkungan kuantum, para ilmuwan komputer harus memperhitungkan “noise” dalam sinyal kuantum yang dapat merambat di seluruh sistem. Hyperq mengatasi masalah ini dengan mengisolasi setiap QVM dengan “buffer” qubit yang tetap tidak aktif, sehingga meniadakan potensi “crosstalk” yang bising.
“Upaya sebelumnya membutuhkan kompiler khusus dan perlu mengetahui dengan tepat program mana yang akan berjalan bersama sebelumnya,” kata penulis utama surat kabar itu Runzhou Taomantan mahasiswa doktoral di Laboratorium Sistem Perangkat Lunak Columbia. “Pendekatan kami bekerja secara dinamis dengan alat pemrograman kuantum yang ada, yang jauh lebih fleksibel dan praktis untuk penggunaan dunia nyata.”
Multiprogramming dinamis
Program kuantum biasanya dijalankan melalui pola qubit yang dapat diprediksi. HyperQ menentukan slot waktu optimal untuk setiap permintaan pengguna dan mengalokasikan sumber daya di kedua waktu dan ruang dengan menentukan qubit mana yang diperlukan untuk setiap permintaan dan berapa lama mereka akan aktif, kata para peneliti dalam penelitian ini.
Ini mungkin terdengar seperti tugas penjadwalan bersamaan yang sederhana, tetapi sistem manajemen mesin sebelumnya mengharuskan pengguna untuk mengantri sehingga sistem dapat mengkompilasi permintaan mereka untuk dieksekusi. HyperQ memperkenalkan konsep yang disebut “multiprogramming dinamis”, di mana penggunaan disederhanakan, dengan program diizinkan untuk dikompilasi secara independen untuk QVM berukuran berbeda.
Tim menguji lapisan perangkat lunak HyperQ di IBM Brisbane Quantum Computer, sistem berbasis gerbang 127-qubit yang dibangun Chipset elang. Menurut penelitian, HyperQ mengurangi waktu tunggu pengguna rata -rata hingga 40 kali, menurunkan waktu penyelesaian proyek dari “hari menjadi hanya berjam -jam.” Ini juga memungkinkan peningkatan sepuluh kali lipat dalam jumlah program kuantum yang dieksekusi.
Ke depan, tim bermaksud untuk memperluas HyperQ untuk berfungsi di seluruh arsitektur komputasi kuantum, termasuk mesin yang dibuat oleh produsen selain IBM.
