Forskere bruger støjdata til at øge pålideligheden af ​​kvantecomputere

En ny teknik af forskere ved Princeton University, University of Chicago og IBM forbedrer kvantecomputeres pålidelighed betydeligt ved at udnytte data om støjen ved operationer på ægte hardware. I et papir fremlagt i denne uge, forskere beskriver en ny kompileringsmetode, der øger ressourcebegrænsede og "støjende" kvantecomputeres evne til at producere nyttige svar. Især forskerne demonstrerede en næsten tre gange gennemsnitlig forbedring i pålidelighed for real-system-kørsler på IBM's 16-qubit kvantecomputer, forbedre nogle programudførelser med så meget som atten gange.

Den fælles forskningsgruppe omfatter dataloger og fysikere fra EPiQC-samarbejdet (Enabling Practical-scale Quantum Computation), en NSF Expedition in Computing, der startede i 2018. EPiQC sigter mod at bygge bro mellem teoretiske kvanteapplikationer og programmer til praktiske kvantecomputerarkitekturer på enheder på kort sigt. EPiQC-forskere samarbejdede med kvantecomputereksperter fra IBM til denne undersøgelse, som vil blive præsenteret på den 24. ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) konference i Providence, Rhode Island den 17. april.

Tilpasning af programmer til qubit-støj

Kvantecomputere er sammensat af qubits (kvantebits), som er udstyret med særlige egenskaber fra kvantemekanikken. Disse særlige egenskaber (superposition og sammenfiltring) gør det muligt for kvantecomputeren at repræsentere et meget stort rum af muligheder og finde det rigtige svar, at finde løsninger meget hurtigere end klassiske computere.

Imidlertid, kvantecomputere i dag og de næste 5-10 år er begrænset af støjende operationer, hvor kvanteberegningsgate-operationerne producerer unøjagtigheder og fejl. Mens du kører et program, disse fejl akkumuleres og fører potentielt til forkerte svar.

For at udligne disse fejl, brugere kører kvanteprogrammer tusindvis af gange og vælger det mest hyppige svar som det rigtige svar. Hyppigheden af ​​dette svar kaldes programmets succesrate. I en ideel kvantecomputer, denne succesrate ville være 100 % - hver kørsel på hardwaren ville give det samme svar. Imidlertid, i praksis, succesraterne er meget mindre end 100 % på grund af støjende operationer.

Forskerne observerede, at på ægte hardware, såsom 16-qubit IBM-systemet, fejlraterne for kvanteoperationer har meget store variationer på tværs af de forskellige hardwareressourcer (qubits/gates) i systemet. Disse fejlprocenter kan også variere fra dag til dag. Forskerne fandt ud af, at operationsfejlrater kan have op til 9 gange så stor variation afhængigt af tidspunktet og stedet for operationen. Når et program køres på denne maskine, hardware-qubits, der er valgt til kørslen, bestemmer succesraten.

"Hvis vi vil køre et program i dag, og vores compiler vælger en hardware-gate (operation), som har en dårlig fejlrate, programmets succesrate falder dramatisk, " sagde forsker Prakash Murali, en kandidatstuderende ved Princeton University. "I stedet, hvis vi kompilerer med bevidsthed om denne støj og kører vores programmer ved hjælp af de bedste qubits og operationer i hardwaren, vi kan øge succesraten markant."

For at udnytte denne idé om at tilpasse programkørsel til hardwarestøj, forskerne udviklede en "støjadaptiv" compiler, der bruger detaljerede støjkarakteriseringsdata til målhardwaren. Sådanne støjdata måles rutinemæssigt for IBM-kvantesystemer som en del af den daglige driftskalibrering og inkluderer fejlhyppighederne for hver type operation, der kan bruges på hardwaren. Udnyttelse af disse data, compileren kortlægger program-qubits til hardware-qubits, der har lave fejlfrekvenser, og planlægger gates hurtigt for at reducere chancerne for tilstandsforfald fra dekohærens. Ud over, det minimerer også antallet af kommunikationsoperationer og udfører dem ved hjælp af pålidelige hardwareoperationer.

Forbedring af kvaliteten af ​​kørsler på et rigtigt kvantesystem

For at demonstrere virkningen af ​​denne tilgang, forskerne kompilerede og udførte et sæt benchmark-programmer på 16-qubit IBM-kvantecomputeren, sammenligne succesraten for deres nye støjadaptive compiler med henrettelser fra IBMs Qiskit-kompiler, standardkompileren til denne maskine. På tværs af benchmarks, de observerede næsten en tre gange gennemsnitlig forbedring i succesrate, med op til atten gange forbedringer på nogle programmer. I flere tilfælde IBM's compiler frembragte forkerte svar på henrettelserne på grund af dens støjubevidsthed, mens den støjadaptive compiler producerede korrekte svar med høje succesrater.

Selvom holdets metoder blev demonstreret på 16-qubit maskinen, alle kvantesystemer i de næste 5-10 år forventes at have støjende operationer på grund af vanskeligheder med at udføre præcise porte, fejl forårsaget af litografisk fremstilling, temperaturudsving, og andre kilder. Støjtilpasning vil være afgørende for at udnytte beregningskraften i disse systemer og bane vejen mod storskala kvanteberegning.

"Når vi kører store programmer, vi ønsker, at succesraterne skal være høje for at kunne skelne det rigtige svar fra støj og også for at reducere antallet af gentagne kørsler, der kræves for at opnå svaret, " understregede Murali. "Vores evaluering viser klart, at støjtilpasning er afgørende for at opnå det fulde potentiale af kvantesystemer."

Holdets fulde papir, "Noise-Adaptive Compiler Mappings for Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers" er nu udgivet på arXiv og vil blive præsenteret på den 24. ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) konference i Providence, Rhode Island den 17. april.