Forskere undersøger arkitektonisk design af kvantecomputere

En nylig undersøgelse ledet af forskere ved Princeton University, i samarbejde med University of Maryland og IBM, udforskede det arkitektoniske design af kvantecomputere (QC). I et papir fremlagt på ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture i 2019, forskerne udførte den største real-system evaluering af kvantecomputere til dato, ved hjælp af syv kvantecomputere fra IBM, Rigetti og University of Maryland.

Forskerne udviklede ny software til at kompilere fra QC -applikationer til hardware -prototyper; på fejl-tilbøjelig QC hardware på et tidligt stadium, denne kompilator leverer op til 28 gange forbedring af programmets korrekthed i forhold til branchekompilatorer. Undersøgelsen understreger vigtigheden af ​​omhyggeligt design af instruktionssæt, rige forbindelsestopologier og behovet for at designe applikationer og hardware for at opnå den bedste ydeevne fra nye QC-systemer.

Meget forskellige kvanteberegningsteknologier

Quantum computing er et fundamentalt nyt paradigme for beregning med lovende applikationer inden for lægemiddeldesign, gødningsdesign, kunstig intelligens og sikker informationsbehandling blandt andet. Fra starten i 1980'erne som et rent teoretisk forsøg, kvanteberegning er nu gået til det punkt, at små prototypesystemer er tilgængelige til eksperimenter. Virksomheder som IBM og Rigetti tilbyder nu gratis adgang til deres fem til 16-qubit systemer over skyen. Disse systemer kan programmeres ved hjælp af sekvenser af instruktioner, også kendt som operationer eller porte.

Analogt med de tidlige dage af klassisk computing, der involverede systemer bygget med vakuumrør, relækredsløb eller transistorer, QC -systemer i dag kan bygges op af flere hardwareteknologier. Frontløberteknologier omfatter superledende qubits og de fangede ionqubits, med andre kandidatteknologier også af betydelig interesse. Imidlertid, i modsætning til klassiske binære computere, QC -teknologier er så forskellige, at selv de grundlæggende gateoperationer, der kan udføres på en enkelt qubit, er meget forskellige. At vælge de mest passende gateoperationer, der skal afsløres til softwarebrug, er en vigtig beslutning om QC -design.

Nuværende QC -systemer er også forskellige med hensyn til driftssikkerheden mellem par qubits. For eksempel, i superledende qubits som dem fra IBM og Rigetti, qubits udskrives på en 2-D wafer ved hjælp af en metode, der ligner klassisk processorfabrikation. I disse systemer, inter-qubit operationer er kun tilladt mellem qubits, der er tæt på hinanden og forbundet med specielle ledninger. Denne fremstillingstilgang pålægger begrænsninger i, hvordan forskellige qubits kan kommunikere, nemlig at tillade hver qubit i systemet at interagere direkte med kun få andre qubits i nærheden. I modsætning, for de fangede ion qubits i UMD, inter-qubit operationer udføres ved hjælp af vibrationsbevægelsen fra en kæde af ioner. Fordi denne tilgang ikke bruger fysiske forbindelser i form af ledninger, det tillader inter-qubit operationer mellem ethvert par qubits i systemet. Denne mere ekspansive kommunikationsmodel kan være nyttig for nogle QC -algoritmer.

Et tredje kendetegn ved bemærkning er, at i alle disse kandidatteknologier, kvantetilstanden er meget svær at manipulere præcist. Dette fører til operationelle fejlfrekvenser. Ud over, størrelsen af ​​disse fejl varierer betydeligt, både på tværs af qubits i systemet og på tværs af tid. Som resultat, disse store støjvariationer ændrer driftssikkerheden med op til en faktor 10. Da QC -algoritmer kæder flere af disse operationer sammen, fejlfrekvens pr. operation, sammensat for at gøre det svært for programmet at få det rigtige svar generelt.

Arkitektur til kvantecomputere

De dramatiske forskelle mellem forskellige QC -implementeringer har ansporet forskere til at designe programmeringsgrænseflader, der beskytter programmøren fra implementeringsdetaljerne og fejlfrekvensen for qubits. Sådan en grænseflade, almindeligvis kendt som instruktionssætarkitektur (ISA), fungerer som en hjørnesten i moderne computersystemer.

ISA indeholder et sæt instruktioner, der kan udføres på hardwaren og fungerer som en kontrakt mellem hardwareimplementering og software. Så længe programmet bruger operationer tilladt af ISA, det kan køres uden ændringer på hardware, som også implementerer den samme ISA, uanset eventuelle forskelle mellem hardwareimplementeringerne.

QC -leverandører træffer en række designbeslutninger om ISA og qubits -forbindelsen. Hver leverandør vælger at levere et sæt software-synlige porte, der skjuler de særlige detaljer ved gateimplementeringerne. Disse porte er typisk ikke det samme som de grundlæggende operationer, og vælges almindeligvis til operationer, der ofte bruges af kvantealgoritmedesignere og programmører.

"Hvilke porte skal en sælger vælge at udsætte for hardware? Skal vi abstrahere disse porte i en fælles ISA på tværs af leverandører eller skræddersy dem til de underliggende enhedsegenskaber?" spørger Prakash Murali, en kandidatstuderende ved Princeton og en forfatter på undersøgelsen. Tilsvarende valget af qubit -forbindelse, selvom påvirket af hardware -teknologien, bestemmer, hvilke inter-qubit-operationer et program kan bruge. "Hvordan skal sælgeren forbinde deres qubits? Hvordan påvirker samspillet mellem variable støjhastigheder og tilslutningsmuligheder programmer?" siger Murali.

Design indsigt i kvantecomputerarkitektur

For at besvare disse designspørgsmål, forskerne vurderede arkitekturen for syv systemer fra tre leverandører, IBM, Rigetti og UMD, med forskellige forbindelsestopologier, spænder over to hardware qubit -teknologier. Da kvantecomputere larmer, det er standard praksis i feltet at køre programmer flere tusinde gange og rapportere det svar, der oftest forekommer som korrekt svar. For at øge sandsynligheden for korrekte kørsler, dette arbejde udviklede TriQ, en multileverandøroptimerende compiler, der overgår leverandørkompilatorer med betydelige margener, på trods af anvendelse på tværs af platforme.

Ved hjælp af TriQ, forskerne viste, at de arkitektoniske designvalg af et system i væsentlig grad kan påvirke rigtigheden af ​​programkørsler, understreger vigtigheden af ​​at træffe disse designvalg med programkrav i tankerne. De observerede, at sælgerens valg af det software-synlige gate-sæt kan påvirke både antallet af operationer, der kræves for at køre et program, og korrekthedsgraden. Når sælgeren afslører de oprindelige eller grundlæggende operationer, TriQ kan reducere antallet af native operationer væsentligt for at udføre et sæt programinstruktioner, og øge rigtigheden. Dette tyder på, at på kvantecomputere, det er for tidligt at afskærme al viden om de oprindelige instruktioner gennem en enhed eller leverandøruafhængig ISA på en måde, der ligner klassiske systemer.

"Vi fandt også ud af, at matchet mellem programmets kommunikationskrav og hardware -forbindelsestopologien er afgørende. Når hardwaren kun kan understøtte en applikation med et lille antal kommunikationsoperationer, applikationen har normalt større chancer for at udføre korrekt. Når der er et misforhold, og en masse kommunikationsoperationer er påkrævet, ansøgningens korrekthed lider, "sagde Murali.

Med sine open source-softwareværktøjer nu tilgængelige på github, arbejdet i dette papir har potentiale til at tilbyde betydelige virkelige forbedringer i QC-softwarekompilering, samtidig med at det giver mulighed for bredere indsigt i de designmetoder, der er mest effektive til QC -hardware.