Diversitet kan være nøglen til at reducere fejl i kvanteberegning

I kvanteberegning, som i teambuilding, lidt forskellighed kan hjælpe med at få arbejdet gjort bedre, har dataloger opdaget.

I modsætning til konventionelle computere, behandlingen i kvantebaserede maskiner er støjende, som producerer fejlrater, der er dramatisk højere end for siliciumbaserede computere. Så kvanteoperationer gentages tusindvis af gange for at få det rigtige svar til at skille sig ud statistisk fra alle de forkerte.

Men at køre den samme operation igen og igen på det samme qubit-sæt kan bare generere de samme forkerte svar, som statistisk kan se ud som det rigtige svar. Løsningen, ifølge forskere ved Georgia Institute of Technology, er at gentage operationen på forskellige qubit-sæt, der har forskellige fejlsignaturer - og derfor ikke vil producere de samme korrelerede fejl.

"Ideen her er at generere en mangfoldighed af fejl, så du ikke ser den samme fejl igen og igen, " sagde Moinuddin Qureshi, professor ved Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering, der udarbejdede teknikken med sin senior ph.d. studerende, Swamit Tannu. "Forskellige qubits har en tendens til at have forskellige fejlsignaturer. Når du kombinerer resultaterne fra forskellige sæt, det rigtige svar vises, selvom hver af dem individuelt ikke fik det rigtige svar, " sagde Tannu.

Tannu sammenligner teknikken, kendt som Ensemble of Diverse Mappings (EDM), til spilprogrammet Who Wants to be a Millionaire. Deltagere, der ikke er sikre på svaret på et multiple choice-spørgsmål, kan bede studiepublikummet om hjælp.

"Det er ikke nødvendigt, at flertallet af tilhørerne kender det rigtige svar, " sagde Qureshi. "Hvis selv 20 % ved det, du kan identificere det. Hvis svarene går lige i de fire spande fra de mennesker, der ikke ved, det rigtige svar vil få 40 %, og du kan vælge det, selvom kun et relativt lille antal mennesker får det rigtige."

Eksperimenter med en eksisterende Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) computer viste, at EDM forbedrer slutningskvaliteten med 2,3 gange sammenlignet med state-of-the-art kortlægningsalgoritmer. Ved at kombinere output-sandsynlighedsfordelingerne for det forskellige ensemble, EDM forstærker det rigtige svar ved at undertrykke de forkerte.

EDM teknikken, Tannu indrømmer, er kontraintuitivt. Qubits kan rangeres efter deres fejlrate på specifikke typer problemer, og den mest logiske fremgangsmåde kan være at bruge det sæt, der er mest præcist. Men selv de bedste qubits producerer fejl, og disse fejl vil sandsynligvis være de samme, når operationen udføres tusindvis af gange.

Valg af qubits med forskellige fejlrater - og derfor forskellige typer fejl - beskytter mod det ved at sikre, at det ene rigtige svar hæver sig over mangfoldigheden af ​​fejl.

"Målet med forskningen er at skabe flere forskellige versioner af programmet, som hver især kan lave en fejl, men de vil ikke lave identiske fejl, Tannu forklarede. "Så længe de laver forskellige fejl, når du gennemsnittet tingene, fejlene bliver annulleret, og det rigtige svar dukker op."

Qureshi sammenligner EDM-teknikken med teambuilding-teknikker, der fremmes af menneskelige ressourcer-konsulenter.

"Hvis du danner et team af eksperter med samme baggrund, alle kan have den samme blinde plet, " han sagde, tilføjer en menneskelig dimension. "Hvis du vil gøre et hold modstandsdygtigt over for blinde vinkler, samle en gruppe mennesker, der har forskellige blinde vinkler. Som en helhed, holdet vil være bevogtet mod specifikke blinde vinkler."

Fejlrater i konventionelle siliciumbaserede computere er praktisk talt ubetydelige, omkring én ud af tusind billioner operationer, men nutidens NISQ kvantecomputere producerer en fejl på kun 100 operationer.

"Dette er virkelig tidlige maskiner, hvor enhederne har mange fejl, " sagde Qureshi. "Det vil sandsynligvis forbedres med tiden, men fordi vi er afhængige af stof, der har ekstremt lav energi og mangler stabilitet, vi vil aldrig få den pålidelighed, vi er kommet til at forvente med silicium. Kvantetilstande handler i sagens natur om en enkelt partikel, men med silicium pakker du en masse molekyler sammen og tager et gennemsnit af deres aktivitet.

"Hvis hardwaren i sagens natur er upålidelig, vi skal skrive software for at få mest muligt ud af det, " sagde han. "Vi er nødt til at tage hardwareegenskaberne i betragtning for at gøre disse unikke maskiner nyttige."

Forestillingen om at køre en kvanteoperation tusindvis af gange for at få det, der sandsynligvis vil være det rigtige svar i starten, virker kontraproduktivt. Men kvantedatabehandling er så meget hurtigere end konventionel databehandling, at ingen ville have noget imod at udføre et par tusinde duplikerede kørsler.

"Målet med kvantecomputere er ikke at tage et aktuelt program og køre det hurtigere, " sagde Qureshi. "Ved at bruge kvante, vi kan løse problemer, der er praktisk talt umulige at løse med selv de hurtigste supercomputere. Med flere hundrede qubits, som er ud over det nuværende stade, vi kunne løse problemer, der ville tage tusind år med den hurtigste supercomputer."

Tilføjet Qureshi:"Du har ikke noget imod at gøre beregningen et par tusinde gange for at få et svar som det."

Kvantefejlreduktionsordningen er planlagt til at blive præsenteret den 14. oktober ved det 52. årlige IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture. Arbejdet blev støttet af en gave fra Microsoft.