NVQLink: il ponte tra quantum e AI supercomputing

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NVQLink è una nuova architettura di interconnessione di NVIDIA pensata per collegare direttamente quantum processors a supercomputer basati su GPU in modo veloce e prevedibile.
Rispetto a collegamenti tradizionali, NVQLink è progettato per offrire comunicazione a bassa latenza e alto throughput, cioè scambi di dati molto rapidi e continui tra il mondo quantistico e quello dell’AI.

Questa architettura nasce per permettere a quantum researchers di eseguire in tempo reale algoritmi di controllo, calibrazione e soprattutto quantum error correction, che richiedono un loop strettissimo tra misure sui qubit e calcolo classico su GPU.
In pratica NVQLink abilita sistemi ibridi quantum-classical, in cui programmi di chimica, materials science o AI possono usare insieme quantum processors e GPU come se fossero un unico supercomputer.

A livello di ecosistema, NVQLink supporta 17 QPU builders, 5 controller builders e l’integrazione con 9 grandi national labs statunitensi, creando una piattaforma aperta per la prossima generazione di quantum supercomputing.
Attraverso l’integrazione con la piattaforma software CUDA-Q, gli sviluppatori possono scrivere applicazioni ibride che orchestrano CPU, GPU e QPU in modo uniforme, senza dover costruire da zero tutta la parte di comunicazione.

Indice

Numeri chiave e partner

Un primo dato importante è la scala dell’iniziativa: NVQLink è stato sviluppato con il contributo di supercomputing centers e di numerosi costruttori di quantum hardware e sistemi di controllo, coprendo 17 QPU builders e 5 controller builders.
Questa rete è collegata a 9 U.S. national labs, inclusi centri come Brookhaven, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Pacific Northwest e Sandia, che stanno sperimentando direttamente l’architettura.

A livello industriale, aziende come Diraq, IQM, Infleqtion, ORCA Computing e Quantum Machines hanno annunciato collaborazione o integrazione con NVQLink per i loro sistemi.
Questi partner usano NVQLink per compiti che vanno dalla caratterizzazione del rumore nei loro QPU alla real-time orchestration di esperimenti complessi di quantum error correction e algoritmi ibridi.

Lato infrastruttura: supercomputing meets quantum

Dal punto di vista delle infrastrutture, NVQLink permette di connettere quantum control systems a server GPU dedicati tramite una rete ottimizzata, spesso basata su RDMA over Ethernet, pensata per spostare i dati in modo deterministico e con latenza di pochi microsecondi.
Questo è fondamentale perché i cicli di clock della quantum error correction sono estremamente rapidi e il sistema classico deve riuscire a ricevere le misure, elaborarle e rimandare le correzioni senza perdere nessun “battito” del QPU.

I supercomputing centers che adottano NVQLink vedono la possibilità di trasformare i propri AI supercomputers in piattaforme ibride, dove la parte “pesante” del calcolo classico, come il decoding dei syndromes o l’ottimizzazione numerica, è eseguita da GPU strettamente collegate ai quantum processors.
Questo approccio rende più realistico il passaggio da demo di laboratorio molto specifiche a sistemi ripetibili e interoperabili, in cui diverse tipologie di QPU possono convivere all’interno della stessa infrastruttura.

Casi d’uso emergenti

Nel breve periodo, uno dei casi d’uso più citati è l’implementazione di quantum error correction “alla velocità giusta”, cioè con loop classico-quantistico abbastanza rapidi da mantenere stabili logical qubits su scale sempre più grandi.
Infleqtion, ad esempio, parla di collegare i propri sistemi Sqale tramite NVQLink per abilitare controllo ciclo-per-ciclo e applicazioni come materiali quantistici o chimica computazionale con feedback strettissimo tra QPU e GPU.

Altri partner, come Diraq, sfruttano NVQLink per caratterizzare il rumore dei loro qubit e addestrare modelli di machine learning che guidino futuri codici di correzione d’errore e algoritmi più robusti.
Quantum Machines integra NVQLink nella sua piattaforma OPX per eseguire in un singolo eseguibile l’intero loop: misura dei qubit, trasferimento dei dati alla GPU via CUDA-Q, calcolo classico e ritorno del risultato al sistema di controllo in tempo reale.

Quantum processor, GPU e control system

Un quantum processor (QPU) è il chip che contiene i qubit e su cui avvengono le operazioni quantistiche vere e proprie.
Per funzionare, però, il QPU ha bisogno di un quantum control system che generi i segnali fisici, gestisca il timing degli esperimenti e raccolga le misure, creando una sorta di “cardiogramma” continuo dello stato del dispositivo.

Le GPU entrano in gioco perché molti compiti legati al controllo avanzato, come la calibrazione adattiva, il decoding della quantum error correction o gli algoritmi ibridi quantum-classical, sono estremamente intensivi dal punto di vista del calcolo numerico.
NVQLink collega in modo diretto quantum control systems e server GPU, eliminando il collo di bottiglia di connessioni generiche e permettendo una comunicazione molto più rapida e prevedibile.

Perché la latenza conta più della pura banda

Nel contesto del quantum computing, non basta avere tanta banda di comunicazione, ma è essenziale che i dati arrivino con latenza bassa e stabile, cioè che il tempo di viaggio sia corto e soprattutto poco variabile.
Le sequenze di controllo e correzione si svolgono in tempi dell’ordine dei microsecondi, quindi un ritardo non prevedibile può significare perdere il momento giusto per correggere un errore, rendendo inefficace la quantum error correction.

NVQLink è pensato proprio per garantire una comunicazione deterministica, con trasferimenti dati su scala microsecondo e integrazione diretta con CUDA-Q per definire callback in tempo reale.
Questo permette agli sviluppatori di scrivere algoritmi che reagiscono misura per misura, ciclo per ciclo, senza dover gestire manualmente tutta la complessità della rete e del protocollo di scambio dati.

Logical qubits e quantum error correction

Oggi i qubit fisici sono rumorosi e soggetti a errori, per cui diventa necessario costruire logical qubits, cioè qubit logici ottenuti “impacchettando” molti qubit fisici e applicando continuamente quantum error correction.
Esperimenti recenti mostrano come la capacità di eseguire queste operazioni in tempo reale su centinaia o migliaia di qubit fisici sia la chiave per passare a sistemi quantistici davvero utili e scalabili.

NVQLink fornisce il “muscolo classico” necessario per questa fase: la decodifica dei syndromes e il calcolo delle correzioni sono gestiti dalle GPU, mentre il QPU continua a evolvere, con un loop chiuso che richiede latenza minima e alta affidabilità.
Insieme a piattaforme come CUDA-Q, questo rende più semplice sviluppare e testare nuovi schemi di correzione e controllo che prima richiedevano attività di integrazione molto specifiche per ogni laboratorio.

Hybrid quantum-classical applications

Molti algoritmi promettenti, come quelli per chimica quantistica, materials science o alcune varianti di machine learning quantistico, sono per natura hybrid quantum-classical.
In questi schemi il QPU esegue una parte del lavoro, spesso legata a stati quantistici difficili da simulare, mentre la GPU si occupa dell’ottimizzazione e dell’analisi dei risultati, iterando il processo molte volte.

NVQLink rende questo loop iterativo molto più efficiente, permettendo iterazioni a livello di millisecondi o microsecondi, invece che tempi lunghi che spezzerebbero il ritmo dell’algoritmo.
Questo apre la strada a applicazioni pratiche in cui quantum e AI lavorano davvero “spalla a spalla”, invece di rimanere confinati in esperimenti scollegati.

Flash card: concetti base

  • Domanda: Che cos’è NVQLink in poche parole?
    Risposta: È un’interconnessione ad alta velocità e bassa latenza pensata per collegare quantum processors e quantum control systems a supercomputer basati su GPU, abilitando sistemi hybrid quantum-classical.
  • Domanda: Perché NVQLink è importante per la quantum error correction?
    Risposta: Perché permette di eseguire in tempo reale il loop di misura-decoding-correzione, grazie a connessioni deterministiche su scala microsecondo tra QPU e GPU, fondamentali per mantenere stabili i logical qubits.
  • Domanda: Quali numeri riassumono l’ecosistema NVQLink oggi?
    Risposta: L’architettura supporta 17 QPU builders, 5 controller builders ed è integrata con 9 U.S. national labs che stanno sperimentando sistemi ibridi basati su NVQLink.
  • Domanda: Che ruolo gioca CUDA-Q dentro NVQLink?
    Risposta: CUDA-Q è la piattaforma software che espone le funzionalità di NVQLink, permettendo di scrivere applicazioni ibride in cui CPU, GPU e QPU sono orchestrati in modo uniforme, con callback in tempo reale verso i quantum control systems.
  • Domanda: Fai un esempio di partner che usa NVQLink e per cosa lo utilizza.
    Risposta: Diraq utilizza NVQLink per caratterizzare il rumore dei qubit e addestrare modelli di machine learning che guidino nuovi schemi di error correction, mentre Infleqtion e ORCA Computing lo impiegano per real-time orchestration di applicazioni quantistiche in materiali, chimica e AI.
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