Ny tilgang til kredsløbskomprimering kunne levere kvantecomputere i den virkelige verden år før tidsplanen

En stor teknisk udfordring for enhver praktisk, den virkelige verdens kvantecomputer kommer fra behovet for et stort antal fysiske qubits til at håndtere fejl, der akkumuleres under beregningen. En sådan kvantefejlkorrektion er ressourcekrævende og beregningsmæssigt tidskrævende. Men forskere har fundet en effektiv softwaremetode, der muliggør betydelig komprimering af kvantekredsløb, lempelse af kravene til hardwareudvikling.

Kvantecomputere er muligvis stadig langt fra en kommerciel realitet, men det, der kaldes 'kvantefordel' - en kvantecomputers evne til at beregne hundredvis eller tusindvis af gange hurtigere end en klassisk computer - er faktisk blevet opnået på det, der kaldes Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)-enheder i tidlige bevis-af -principielle eksperimenter.

Desværre, NISQ-enheder er stadig tilbøjelige til mange fejl, der ophobes under deres drift. For at der skal være nogen reel anvendelse af kvantefordele, design af en fuldt operationel storskala kvantecomputer med høj fejltolerance er påkrævet. I øjeblikket, NISQ-enheder kan konstrueres med cirka 100 qubits, men fejltolerante computere ville i det mindste have brug for millioner af fysiske qubits for at kode den logiske information med tilstrækkeligt lave fejlfrekvenser. En fejltolerant implementering af kvanteberegningskredsløb gør ikke kun kvantecomputeren større, men også køretiden længere i størrelsesordener. Selve en forlænget runtime betyder til gengæld, at beregningen er endnu mere modtagelig for fejl.

Selvom fremskridt inden for hardware kan løse dette ressourcegab, forskere fra National Institute of Informatics (NII) og Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) i Japan tacklede problemet fra softwareudviklingssiden ved at komprimere kvantekredsløb i storskala fejltolerante kvantecomputere, potentielt reducere behovet for hardwareforbedringer.

"Ved at komprimere kvantekredsløb, vi kunne reducere størrelsen af ​​kvantecomputeren og dens køretid, hvilket igen mindsker kravet til fejlbeskyttelse, " sagde Michael Hanks, en forsker ved NII og en af ​​forfatterne til et papir, udgivet 11. november i Fysisk gennemgang X .

Storskala kvantecomputerarkitekturer afhænger af en fejlkorrektionskode for at fungere korrekt, den mest almindeligt anvendte er overfladekode og dens varianter.

Forskerne fokuserede på kredsløbskomprimeringen af ​​en af ​​disse varianter:den 3-D-topologiske kode. Denne kode opfører sig særligt godt til distribuerede kvantecomputertilgange og har bred anvendelighed til forskellige varianter af hardware. I den 3-D-topologiske kode, kvantekredsløb ligner sammenflettede rør eller rør, og kaldes almindeligvis "flettede kredsløb. 3D-diagrammerne af flettede kredsløb kan manipuleres til at komprimere og dermed reducere den volumen, de optager. Indtil nu, udfordringen har været, at sådan "rørmanipulation" udføres ad hoc. I øvrigt, der har kun været delvise regler for, hvordan dette skal gøres.

"Tidligere komprimeringstilgange kan ikke garantere, om det resulterende kvantekredsløb er korrekt, " sagde medforfatter Marta Estarellas, en forsker ved NII. "Man skal være meget omhyggelig med at kontrollere dens korrekthed, hver gang en af ​​disse komprimeringsregler anvendes. Dette er et vigtigt spørgsmål, som sådan en opgave er lige så svær som at køre hele kvantekredsløbet."

Forskerholdet foreslår brugen af ​​ZX-calculus som et sprog til dette mellemtrin af kompileringen. ZX-calculus er et 2D-diagramsprog (ved hjælp af diagrammer og billeder i stedet for ord) udviklet i slutningen af ​​2000'erne udtrykkeligt for at tillade en intuitiv repræsentation af qubit-processer. Vigtigere, det kommer med et komplet sæt af manipulationsregler.

I deres papir, forskerne udnytter ZX-calculus ved at opdage translationsrelationerne mellem ZX-calculus og komponenterne i det flettede kredsløb. Forskerne har vist, at disse to repræsentationer af logiske gatekredsløb kan kortlægges til hinanden ved at identificere en ny fortolkning, der hele tiden havde været skjult i ZX-calculus.

ZX-calculus-sproget kan anvende et sæt transformationsregler for at ændre strukturen af ​​kredsløbet uden at ændre dets underliggende matematiske betydning (og dermed dets drift) og derfor sikre dets korrekthed. Ved at ændre denne konceptuelle struktur omhyggeligt, kredsløbets volumen kan minimeres, opnå betydelige kompressionshastigheder, når denne nye struktur er kortlagt til det faktiske flettede kvantekredsløb.

Ved at anvende denne teknik, forskerne rapporterer kompressionsreduktioner på op til 77 procent, svarende til en reduktion på 40 procent i forhold til de bedste tidligere indsatser.

"Kompressionsmetoden og dens videre udvikling kunne levere realisering af en fejltolerant kvantecomputer i den virkelige verden år før tidsplanen, " sagde William J. Munro, en forsker ved NTT, som også har bidraget til forskningen.

"Interessant nok, det kan også være grundlaget for fremtidig operativsystemudvikling, " sagde Kae Nemoto, Direktør for Global Research Center for Quantum Information Science ved NII. "Det kan stadig tage mange år for disse softwareudviklinger at blive implementeret i fuldt skalerbare kvantecomputere, men vores metode kunne spare en stor indsats forbundet med hardwareudvikling i mellemtiden."