Forskere udvikler compileraccelerationsteknologi til kvantecomputere

Det er lykkedes for forskere at udvikle en teknik til hurtigt at søge efter den optimale kvanteportsekvens for en kvantecomputer ved hjælp af en probabilistisk metode.

For at få en kvantecomputer til at udføre en opgave, skal den bruge en compiler til at konvertere instruktioner skrevet i et programmeringssprog til en sekvens af gate-operationer på kvantebits, eller kort sagt qubits. De anvendte tidligere optimal kontrolteori (GRAPE-algoritme) til en udtømmende søgning for at udvikle en metode til at identificere den teoretisk optimale gatesekvens, men når antallet af qubits stiger, stiger antallet af mulige kombinationer.

Efterhånden som antallet stiger eksplosivt, bliver en udtømmende eftersøgning umulig. For eksempel, hvis vi skulle udføre en udtømmende søgning for at finde den optimale portsekvens til opgaven med at generere en vilkårlig kvantetilstand på 6 qubits, ville det tage længere tid end universets alder ved at bruge den hurtigste klassiske computer, der er tilgængelig i øjeblikket.

Derfor forsøgte forskerne at udvikle en metode til at søge efter den optimale kvanteportsekvens ved hjælp af en probabilistisk tilgang, og det lykkedes. Ved hjælp af supercomputeren Fugaku blev det bekræftet og demonstreret, at ved hjælp af en ny probabilistisk tilfældig søgemetode er det muligt at søge efter den optimale kvanteportsekvens for ovenstående problem på få timer.

Denne nye metode forventes at fremskynde kvantecomputerkompilere, blive et nyttigt værktøj til praktiske kvantecomputere og føre til forbedret ydeevne af kvantecomputerenheder. Det kan også anvendes til at optimere kvanteinformationsbehandlingen ved kvanterelæknudepunkter, så det forventes at bidrage til realiseringen af ​​kvanteinternettet og reduktionen af ​​miljøpåvirkningen.

Dette resultat blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review A den 6. maj 2024.

Kvantecomputere, som i øjeblikket er under udvikling, forventes at få stor indflydelse på samfundet. Deres fordele omfatter at reducere miljøbelastningen ved at reducere energiforbruget, finde nye kemiske stoffer til medicinsk brug, fremskynde søgningen efter materialer til et renere miljø osv. Et af de store problemer for kvantecomputere er, at kvantetilstanden er meget følsom over for støj. , så det er svært at opretholde det stabilt i lang tid (vedligeholde en sammenhængende kvantetilstand).

For den bedste ydeevne skal operationer fortsætte inden for en tid, der tillader kvantetilstanden at forblive sammenhængende. Men bortset fra det specielle tilfælde, hvor antallet af qubits er meget lille, har man ikke kendt nogen god metode til at finde den optimale kvanteportsekvens.

En løsning, der undgår vanskeligheden ved den eksplosive stigning i antallet af mulige gate-sekvenser selv i storskala kvanteberegninger og tillader effektive søgninger inden for den tid og de beregningsressourcer, der kan udføres på klassiske computere, er blevet afventet.

Forskerholdet introducerede en probabilistisk metode til at udvikle en systematisk metode, der effektivt kan søge efter den optimale kvanteportsekvens inden for eksekveringstiden og beregningsressourcerne.

Når en computer gemmer og behandler information, konverteres al information til en streng af bit med værdierne 0 eller 1. En kvanteportsekvens er et computerprogram skrevet i et menneskeligt læsbart sprog, efter at det er blevet konverteret, så det kan behandles af en kvantecomputer. Kvanteportsekvensen består af 1-qubit-gates og 2-qubit-gates. Den bedste sekvens er den med færrest porte og viser den bedste ydeevne.

Deres undersøgelse viser den estimerede beregningstid, når en søgning udføres for at optimere pålideligheden F på den hurtigste klassiske computer for hvert portarrangement ved hjælp af den optimale kontrolteorialgoritme GRAPE til at forberede n qubit-tilstande. Den solide blå linje er universets såkaldte alder (13,7 milliarder år). Når antallet af qubits stiger, stiger antallet af mulige kombinationer eksplosivt, så ved n=6 overstiger den samlede beregningstid universets alder.

Analyse af alle mulige sekvenser for små qubit-tal afslører, at der er mange optimale quantum gate-sekvenser. Dette antyder muligheden for at udvide til store kvanteopgaver og finde den optimale kvanteportsekvens ved hjælp af en probabilistisk søgemetode frem for en udtømmende søgning.

De viser også fremkomsthastigheden (p) af sekvenser med troskab F=1 til fremstilling af en tilstand bestående af n=8 qubits, som blev undersøgt ved hjælp af supercomputeren Fugaku. Raten p er udtrykt som en funktion af antallet af 2-qubit CNOT-gates (N) i sekvensen. Det er klart, at den probabilistiske metode er meget effektiv, fordi F=1-forekomstfrekvensen stiger hurtigt, når den nedre grænse for N (N=124) overskrides.

For eksempel er udseendet af F=1 ved N=129, hvilket er lidt over N=124, over 50%, så hvis du søger efter et portarrangement to gange, vil du finde en kvantesekvens, der har F=1 mindst én gang i gennemsnit. På denne måde har man fundet ud af, at det ved at bruge en probabilistisk metode er muligt at søge efter optimale kvanteportsekvenser adskillige størrelsesordener hurtigere end ved søgning med en udtømmende søgemetode.

Den udviklede systematiske og probabilistiske metode til at give optimale kvanteportsekvenser til kvantecomputere forventes at blive et nyttigt værktøj til praktiske kvantecomputere og fremskynde kvantecomputerkompilere. Det forventes at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputerenheder og bidrage til udviklingen af ​​kvanteknuder på kvanteinternettet og reducere miljøbelastningen.

I fremtiden vil forskerholdet integrere resultaterne opnået i denne undersøgelse med maskinlæringstilgange og anvende dem til at optimere ydeevnen af ​​kvantecomputere, med det formål yderligere at fremskynde kvantekompilere og skabe en database med optimale kvanteportsekvenser.

Forskerholdet omfatter The National Institute of Information and Communications Technology, RIKEN, Tokyo University of Science og University of Tokyo.

Flere oplysninger: Sahel Ashhab et al., Kvantekredsløbssyntese via en tilfældig kombinatorisk søgning, Physical Review A (2024). DOI:10.1103/PhysRevA.109.052605

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang A

Leveret af National Institute of Information and Communications Technology (NICT)