Čo je NVIDIA Ising a ako poháňa kvantové výpočty?

Kvantové výpočty sa stali jednou z najsľubnejších technologických oblastí, ale aj jednou z najzložitejších na uvedenie do výroby. Hoci spoločnosti ako Google so svojimi Vŕbová štiepka, alebo IBM dosiahli významný pokrok, fyzické úzke miesta, hluk a technické problémy Naďalej sú obrovské a bránia ich skutočnému prijatiu v tomto odvetví.

V tejto súvislosti sa objavuje NVIDIA Ising, nová rodina modelov umelej inteligencie s otvoreným zdrojovým kódom, ktorá sa priamo zameriava na tieto menej okázalé, ale kritické problémy: kalibrácia kvantových procesorov a systematická korekcia chýbNehovoríme o izolovanom experimente, ale o strategickej stávke na to, aby sa umelá inteligencia stala „riadiacou rovinou“ kvantových strojov a raz a navždy priblížila praktické kvantové výpočty.

Čo je NVIDIA Ising a prečo sa tak volá?

NVIDIA Ising je rodina modelov umelej inteligencie s otvoreným zdrojovým kódom. Je navrhnutý tak, aby fungoval bok po boku s kvantovými procesormi (QPU) a hybridnými kvantovo-klasickými systémami, a jeho hlavným cieľom je automatizovať a optimalizovať dve úlohy, ktoré v súčasnosti spotrebúvajú obrovské množstvo času a ľudských zdrojov: nepretržitú kalibráciu QPU a dekódovanie pre kvantovú korekciu chýb v reálnom čase.

Meno Ising nie je marketingový rozmar: odkazuje na Isingov modelIsingov model je klasický matematický model, ktorý v roku 1925 vyvinul Ernst Ising na štúdium systémov častíc s magnetickými interakciami. Tento model je základom štatistickej fyziky pre pochopenie fázových prechodov a správania zložitých materiálov a stal sa tiež kľúčovým nástrojom na riešenie... zložité optimalizačné problémy v kvantových výpočtochNVIDIA berie tento koncept ako metaforu: zjednodušenie veľmi zložitých fyzických systémov prostredníctvom dobre navrhnutých modelov.

V praxi Ising nie je jediným modelom, ale kompletná sada modelov, nástrojov, údajov a pracovných postupov ktorý sa dá prispôsobiť rôznym typom kvantového hardvéru. Prirodzene sa integruje so stackom NVIDIA, najmä s CUDA-Q (softvérová platforma pre hybridné kvantovo-klasické výpočty) a s prepojením NVQLink, ktorý priamo prepája QPU a GPU, aby sa minimalizovala latencia pri kontrole a korekcii chýb.

Okrem toho je NVIDIA Ising ponúkaná ako otvorená a opakovane použiteľná technológia: Modely sú open source a majú permisívnu licenciu.aby si ich laboratóriá, spoločnosti a výskumné centrá mohli stiahnuť, spúšťať lokálne, doladiť ich podľa vlastných architektúr a udržiavať si úplnú kontrolu nad svojimi súkromnými údajmi bez toho, aby boli závislé od externých služieb, ak to nechcú.

Kam patrí Ising v ekosystéme modelov NVIDIA?

Ising neprichádza sám, ale ako súčasť Širšia stratégia spoločnosti NVIDIA v oblasti vytvárania vertikálnych modelov umelej inteligencie pre špecifické technické oblasti. Spoločnosť už má niekoľko produktových radov zameraných na rôzne oblasti: Nemotrón pre agentívne systémy umelej inteligencie, Kozmos pre fyzickú umelú inteligenciu, Isaac pre robotiku, Clara y BioNeMo pre biomedicínu, apollo pre fyziku umelej inteligencie alebo Alpamayo okrem iného pre autonómne vozidlá.

S Isingom NVIDIA aplikuje rovnakú logiku na kvantový svet: poskytnúť modely pripravené na výrobu ktoré pokrývajú kritické body vysoko špecializovaného technického balíka. Namiesto jednoduchého ponúkania hardvéru alebo samostatnej knižnice je prístupom poskytnutie uceleného balíka umelej inteligencie, údajov a nástrojov, ktorý transformuje experimentálnu technológiu na rozumne použiteľný systém.

Tento vertikálny prístup má jasnú interpretáciu: NVIDIA sa chce etablovať ako most medzi kvantovými výpočtami a klasickými výpočtami akcelerovanými GPUNamiesto predaja „kvantového čipu“ sa zameriavajú na ovládanie softvéru a vrstvy umelej inteligencie, ktorá umožňuje prevádzkovať a škálovať tieto čipy v reálnych podmienkach.

Skutočný problém kvantovej mechaniky: šum, kontrola a opakovanie

Pri diskusii o kvantových výpočtoch sa zvyčajne zameriavame na počet qubitov alebo údajnú „kvantovú nadvládu“, ale úzke hrdlo spočíva inde: udržiavať qubity stabilné, kalibrované a s zvládnuteľnou mierou chybovostiQubity, ktoré sa nachádzajú v stavoch superpozície a previazania, sú mimoriadne citlivé na environmentálny šum, na teplotavibráciám, nedokonalostiam hardvéru atď.

Podľa spoločnosti NVIDIA a potvrdených hlasmi z odvetvia, ako napríklad Samom Stanwyckom (riaditeľom spoločnosti pre kvantové produkty), Najlepšie súčasné kvantové procesory urobia približne jednu chybu na každých tisíc operáciíAj keď to môže znieť pôsobivo, stále je to len svetelné roky ďaleko od toho, čo je potrebné pre vysokohodnotné, praktické aplikácie, kde by sa mala miera chybovosti drasticky znížiť, ideálne na jednu chybu na miliardu operácií alebo aj menej. Táto situácia je evidentná aj vo vývoji spoločností ako IBM a ďalší kľúčoví hráči v tomto sektore.

Na dosiahnutie tejto spoľahlivosti nestačí len pridať viac qubitov. Vyžaduje si to... kvantová korekcia chýb a kontinuálna kalibrácia hardvéruTo zahŕňa spracovanie terabajtov meraní qubitov „tisícekrát za sekundu“ s veľmi náročnými klasickými dekódovacími algoritmami, pričom sa takmer nepretržite upravujú parametre kvantového procesora, aby sa udržal v optimálnom bode.

Doteraz bola táto práca rozdelená medzi tímy fyzikov manuálne upravujúce parametre —drahé, pomalé a neškálovateľné — a relatívne jednoduché automatizačné systémy, ktoré s rastúcimi prototypmi zaostávajú. Každé zvýšenie počtu qubitov dramaticky zvýšilo prevádzkovú zložitosť. Práve tu... NVIDIA Ising mieri na „špinavú prácu“ pri prevádzke systémuNie peknému obrázku prototypu.

Isingova kalibrácia: model, ktorý laboratórium „číta“

Prvým hlavným blokom rodiny je Isingova kalibrácia, model vizuálno-jazykového vyjadrenia (VLM) 35.000 miliárd parametrov navrhnuté tak, aby rýchlo interpretovali merania vychádzajúce z kvantového procesora a rozhodli sa, ako ich upraviť.

Tento VLM je vyškolený na Pochopenie experimentálnych údajov z QPU (grafy, krivky, výsledky rozptylu parametrov atď.) a preložiť ich do kalibračných akcií: ktorý komponent upraviť, ktorý rozsah preskúmať, ktoré parametre optimalizovať a v akom poradí. Dôležitá nie je len presnosť, ale aj to, že sa ľahko integruje s Agenti AIaby bolo možné vytvoriť komplexný kalibračný tok bez neustáleho ľudského zásahu.

Podľa spoločnosti NVIDIA dosahuje Isingova kalibrácia skrátiť kalibračné procesy, ktoré predtým trvali niekoľko dní manuálnej práce, na len niekoľko hodínOkrem toho si zachováva schopnosť neustálej kalibrácie, pretože procesor sa časom vychýli. Vďaka tomu sa úloha, ktorá bola predtým takmer výlučne manuálna, premení na priemyselný, opakovateľný a merateľný proces.

Kľúčovým základným bodom je, že umelá inteligencia prestáva byť ozdobou a stáva sa „nervový systém“ kvantového laboratóriaModel sleduje, čo sa deje, navrhuje úpravy a koordinuje reakciu hardvéru bez toho, aby tím špecialistov neustále všetko dolaďoval ručne.

Kalibrácia Ising už nachádza reálne využitie v organizáciách, ako napríklad Atom Computing, Academia Sinica, EeroQ, Conductor Quantum, Fermilab, Harvard SEAS, Infleqtion, IonQ, IQM Quantum Computers, Pokročilé kvantové testovacie prostredie v Národnom laboratóriu Lawrencea Berkeleyho, Q-CTRL alebo Národné fyzikálne laboratórium Spojeného kráľovstvaokrem iného. Toto skoré prijatie ukazuje, že nejde len o laboratórny prototyp, ale o nástroj s okamžitým prevádzkovým dopadom.

Isingovo dekódovanie: 3D siete, ktoré vyhrajú boj proti chybám

Ďalšou hlavnou zložkou je Isingovo dekódovanie, zameraný na azda najdôležitejšiu časť celého príbehu: dekódovanie pre kvantovú korekciu chýb v reálnom časeTlak je tu brutálny: ak korekcia príde neskoro, systém sa zrúti skôr, ako stihne urobiť niečo užitočné.

Isingovo dekódovanie pozostáva z dva varianty 3D modelu konvolučnej neurónovej siete (3D CNN) navrhnuté ako „preddekodér“. Jeden z variantov je optimalizovaný pre Maximálna rýchlosťzatiaľ čo druhý uprednostňuje maximálna presnosťTo vám umožňuje vybrať si podľa typu experimentu alebo rozpočtu latencie, ktorý máte k dispozícii.

Tieto modely pracujú s povrchové kódy a depolarizačný šumčo umožňuje dekódovanie chybových syndrómov v ľubovoľných vzdialenostiach. NVIDIA tiež poskytuje tréningový rámec založený na PyTorch a CUDA-Q aby tímy mohli prispôsobiť modely iným typom šumu a špecifickým konfiguráciám svojich kvantových zariadení.

Podľa údajov spoločnosti ponúkajú modely Ising Decoding Až 2,5-krát rýchlejší výkon a až 3-krát vyššia presnosť o pyMatching, doteraz najpoužívanejší otvorený dekódovací štandard. Ak tieto čísla platia aj v produkčných prostrediach, vplyv siaha ďaleko za hranice titulku: nižšia latencia a vyššia presnosť znamenajú Menej výpočtov zbytočných na pochopenie chyby a viac zdrojov venovaných spúšťaniu užitočných algoritmov.

Isingovo dekódovanie už implementujú alebo testujú inštitúcie ako napríklad Cornell University, EdenCode, Infleqtion, IQM kvantové počítače, kvantové prvky, Sandia National Laboratories, SEEQC, UC San Diego, UC Santa Barbara, University of Chicago, University of Southern California a Univerzita Yonsei, okrem iného, ​​čo posilňuje myšlienku, že sa môže stať de facto referenciou pre otvorené dekódovanie kvantových chýb.

Otvorený zdroj, dáta a sledovateľnosť: záväzok voči ekosystému

Okrem čistého výkonu je jedným z najvýraznejších aspektov NVIDIA Ising... ako publikovaťSpoločnosť nezverejní len hmotnosť modelov a to je všetko; k uvedeniu na trh pridá aj Povoľovacie licencie, dokumentácia o pôvode, metódy školenia, súbory údajov a nástroje ich doladiť, kvantifikovať a prispôsobiť.

Tento prístup má veľmi jasnú interpretáciu: ak sa kvantové výpočty chcú posunúť za fázu izolovaných laboratórií a prototypov vyrobených na mieru, Potrebuje otvorené a opakovane použiteľné de facto štandardyKalibrácia a korekcia chýb boli doteraz takmer tajnými receptami každého laboratória, súčasťou ich konkurenčnej výhody. Sprístupnenie kompletných modelov ich históriou si efektívne vynucuje určitý stupeň štandardizácie.

Isingove modely a zdroje sú k dispozícii na GitHub, Hugging Face a portál build.nvidia.com, okrem ekosystému Mikroslužby NVIDIA NIMčo umožňuje nasadenie a prispôsobenie týchto modelov ako služieb pripravených na integráciu do existujúcich architektúr. NIM napríklad uľahčuje prispôsobenie Isingu konkrétnemu typu QPU alebo konkrétnemu pracovnému postupu bez nutnosti jeho preškoľovania od začiatku.

Treba poznamenať, že „Otvorený“ tu neznamená altruistickýPre spoločnosť NVIDIA je otvorenie Isingu spôsobom, ako urýchliť jeho prijatie, znížiť trenie v akademických inštitúciách a národných laboratóriách a zároveň upevniť vlastný stack CUDA-Q + NVQLink ako štandard, okolo ktorého sa ekosystém točí. Čím viac sa Ising bude používať, tým ťažšie bude vyhnúť sa infraštruktúre NVIDIA v srdci kvantových systémov novej generácie.

Most QPU-GPU: NVQLink a biznis s latenciou

Ising je navrhnutý tak, aby dokonale zapadol do architektúry, ktorú NVIDIA propaguje pod myšlienkou... „kvantové superpočítače s GPU“. Na jednej strane, CUDA-Q Pôsobí ako softvérová vrstva, ktorá riadi hybridné kvantovo-klasické výpočty. Na druhej strane, NVQLink Je to hardvérové ​​prepojenie, ktoré priamo spája QPU s GPU, aby si vymieňali dáta a riadili rozhodnutia s minimálnou latenciou.

Dôvod je jednoduchý: Užitočné kvantové výpočty vyžadujú extrémne rýchle rozhodnutia o oprave chýbAk dekódovacie a kalibračné modely spracujú informácie prichádzajúce z qubitov príliš dlho, nápravné opatrenia prídu príliš neskoro a kvantový stav sa degraduje. Počíta sa každá mikrosekunda.

Presunutím náročných výpočtov umelej inteligencie (kalibrácia, dekódovanie, riadenie) na grafické procesory (GPU) priamo pripojené k QPU, NVIDIA kladie svoje produkty tam, kde ich najviac trápi: na kritickej ceste latencieToto v istom zmysle odzrkadľuje to, čo sa stalo v histórii raných výpočtov: rozhodujúcim skokom nebol len vynález tranzistora, ale vybudovanie ekosystému Spoľahlivá a opakovateľná výroba, nástroje, softvér a korekcia chýb.

V kvantovej mechanike je analógia jasná: ktokoľvek riadi operačný „middleware“ – vrstvu, ktorá prekladá fyzický šum do riadiacich a korekčných rozhodnutí – môže získať väčšiu hodnotu ako niekto, kto sa len chváli tým najúžasnejším procesoromIsing je v tejto hre kľúčovou postavou, pretože premieňa umelú inteligenciu na praktický ekvivalent... operačný systém pre kvantové stroje.

Dopad na trh a na IT profesionálov

Prezentácia spoločnosti NVIDIA Ising mala rýchly dopad nielen na technickú, ale aj na finančnú frontu. Krátko po oznámení... Niekoľko spoločností zaoberajúcich sa kvantovým hardvérom a službami zaznamenalo výrazný nárast cien akcií.Akcie spoločností IonQ vzrástli približne o 14 %, Rigetti Computing o 12 %, D-Wave Quantum o 11 % a Quantum Computing Inc. takmer o 9 %, podľa údajov zhromaždených spoločnosťou Investing.com.

Tieto reakcie naznačujú, že investori vnímajú Isinga ako páka na skrátenie časového rámca pre komerčne životaschopný kvantový hardvérAnalytická spoločnosť Resonance odhaduje, že globálny trh s kvantovými výpočtami by mohol prekročiť 11.000 miliárd dolárov v roku 2030Tento rast však priamo závisí od riešenia technických výziev, ako je škálovateľnosť, automatická kalibrácia a korekcia chýb odolná voči chybám.

Pre IT organizácie, oddelenia infraštruktúry, tímy dátovej vedy alebo vývojárov softvéru je Ising tiež jasným signálom, kam smeruje toto odvetvie: konvergencia medzi vysoko špecializovanou umelou inteligenciou a veľmi špecifickými technickými oblasťamiRovnako ako sa to stalo v prípade iných digitálnych transformácií, budeme svedkami toho, že riešenia umelej inteligencie budú čoraz viac prispôsobené každému odvetviu a kvantové výpočty nebudú výnimkou.

Spoločnosti ako IQM zašli až tak ďaleko, že označili používanie Isingu za krok smerom k... „kalibrácia agenta“Systémy, v ktorých kalibráciu vykonávajú automaticky agenti umelej inteligencie, čím sa eliminuje veľká časť manuálneho zásahu a umožňuje sa kvantovému hardvéru prevádzkovať v prostrediach, ako sú Továrne s umelou inteligenciou bez potreby tímu kvantových expertov na mieste. To by mohlo úplne zmeniť profil profesionálov potrebných na prácu s touto technológiou.

Súbežne s tým otvorenie modelu a jeho údajov smeruje k väčšia transparentnosť a vznik reprodukovateľných referenčných hodnôtV sektore, kde marketing často predbehol technickú realitu, môže mať otvorené nástroje na porovnávanie výsledkov znížený „humbuk“ a urýchliť skutočný pokrok, čo prinúti účastníkov trhu, aby pomocou údajov dokazovali to, čo sľubujú v tlačových správach.

Celkovo je NVIDIA Ising oveľa viac než len niekoľko modelov umelej inteligencie: Je to pokus urobiť z umelej inteligencie efektívny operačný systém kvantových počítačov.Automatizáciou kalibrácie, urýchlením korekcie chýb a ponukou otvoreného zásobníka, ktorý je napriek tomu úzko spojený s grafickými procesormi a softvérom NVIDIA, by tento prístup mohol výrazne skrátiť cestu k skutočne užitočným kvantovým výpočtom a definitívne upevniť úlohu umelej inteligencie ako „mozgu“ týchto strojov.

Súvisiaci článok:

Čo je NVIDIA CUDA-X a ako urýchľuje výpočty s využitím umelej inteligencie a GPU

Isaac

Vášnivý spisovateľ o svete bajtov a technológií všeobecne. Milujem zdieľanie svojich vedomostí prostredníctvom písania, a to je to, čo urobím v tomto blogu, ukážem vám všetko najzaujímavejšie o gadgetoch, softvéri, hardvéri, technologických trendoch a ďalších. Mojím cieľom je pomôcť vám orientovať sa v digitálnom svete jednoduchým a zábavným spôsobom.