Ny compiler gør kvantecomputere to gange hurtigere

Et nyt papir fra forskere ved University of Chicago introducerer en teknik til at kompilere stærkt optimerede kvanteinstruktioner, der kan udføres på kortsigtet hardware. Denne teknik er særligt velegnet til en ny klasse af variationskvantealgoritmer, som er lovende kandidater til at demonstrere nyttige kvantehastigheder. Det nye arbejde blev muliggjort ved at forene ideer på tværs af stakken, spænder over kvantealgoritmer, maskinelæring, kompilatorer, og enhedsfysik. Den tværfaglige forskning blev udført af medlemmer af EPiQC-samarbejdet (Enabling Practical-scale Quantum Computation), en NSF-ekspedition i databehandling.

Tilpasning til et nyt paradigme for kvantealgoritmer

Den oprindelige vision for kvantealgoritmer stammer fra begyndelsen af ​​1980'erne, da fysikeren Richard Feynman foreslog at udføre molekylære simuleringer ved hjælp af blot tusindvis af støjfrie qubits (kvantebits), en praktisk umulig opgave for traditionelle computere. Andre algoritmer udviklet i 1990'erne og 2000'erne viste, at tusindvis af støjfri qubits også ville tilbyde dramatiske hastigheder for problemer som databasesøgning, heltals factoring, og matrix algebra. Imidlertid, på trods af de seneste fremskridt inden for kvantehardware, disse algoritmer er stadig årtier væk fra skalerbare erkendelser, fordi den nuværende hardware har støjende qubits.

For at matche begrænsningerne for nuværende og kortsigtede kvantecomputere, et nyt paradigme for variationskvantealgoritmer er for nylig dukket op. Disse algoritmer tackler lignende beregningsmæssige udfordringer som de oprindeligt forestillede kvantealgoritmer, men opbygge modstandsdygtighed over for støj ved at lade visse interne programparametre være uspecificerede. I stedet, disse interne parametre læres ved variation over gentagne forsøg, styret af en optimizer. Med en robust optimizer, en variationsalgoritme kan tolerere moderate støjniveauer.

Mens støjmodstandsdygtigheden af ​​variationsalgoritmer er tiltalende, det udgør en udfordring for kompilering, processen med at oversætte en matematisk algoritme til de fysiske instruktioner, der i sidste ende udføres af hardware.

"Afvejningen mellem variationelle og traditionelle kvantealgoritmer er, at mens variationstilgange er billige i antallet af porte, de er dyre i antallet af nødvendige gentagelser, '' sagde Fred Chong, Seymour Goodman professor i datalogi ved UChicago og ledende PI for EPiQC. "Mens traditionelle kvantealgoritmer er fuldt specificeret på udførelsestidspunktet og derved fuldt optimeret præ-udførelse, variationsprogrammer er kun delvist specificeret på udførelsestidspunktet."

Delvis kompilering

Forskerne behandler spørgsmålet om delvist specificerede programmer med en parallel teknik kaldet delvis kompilering. Pranav Gokhale, en ph.d.-studerende fra UChicago forklarer, "Selvom vi ikke fuldt ud kan kompilere en variationsalgoritme før udførelse, vi kan i det mindste prækompilere de dele, der er specificeret." For typiske variationsalgoritmer, denne simple heuristik alene er tilstrækkelig, leverer 2x speedups i kvantekørsel i forhold til standard gate-baserede kompileringsteknikker. Da qubits henfalder eksponentielt med tiden, denne fremskyndelse af køretid fører også til reduktioner i fejlfrekvensen.

For mere komplicerede algoritmer, forskerne anvender et andet lag af optimeringer, der numerisk karakteriserer variationer på grund af de uspecificerede parametre, gennem en proces kaldet hyperparameteroptimering. "At bruge et par minutter på justering af hyperparameter og delvis kompilering fører til timevis af besparelser i eksekveringstid", opsummerer Gokhale. Professor Chong bemærker, at dette tema om at realisere omkostningsbesparelser ved at flytte ressourcer – uanset om det er mellem traditionel og kvanteberegning eller mellem kompilering og udførelse – genlyder i flere andre EPiQC-projekter.

Forskerne sigter derefter på at demonstrere deres arbejde eksperimentelt. En sådan eksperimentel validering er først blevet mulig for nylig, med udgivelsen af ​​sky-tilgængelige kvantecomputere, der kan styres på niveau med analoge impulser. Dette kontrolniveau er meget tættere på hardware end standard gate-baseret kontrol, og forskerne forventer at opnå større effektivitetsgevinster fra denne pulsgrænseflade.

Forskernes papir, "Delvis kompilering af variationsalgoritmer for støjende kvantemaskiner i mellemskala" (arXiv link) vil blive præsenteret på MICRO computerarkitekturkonferencen i Columbus, Ohio den 14. oktober. Gokhale og Chongs medforfattere omfatter Yongshan Ding, Thomas Propson, Christopher Winkler, Nelson Leung, Yunong Shi, David I. Schuster, og Henry Hoffmann, alle også fra University of Chicago.