Een nieuwe bevinding van onderzoekers van de Universiteit van Chicago belooft de snelheid en betrouwbaarheid van de huidige en volgende generatie kwantumcomputers met maar liefst tien keer te verbeteren. Door principes uit de natuurkunde en informatica te combineren, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe schaalbare compiler die software bewust maakt van de onderliggende kwantumhardware, biedt aanzienlijke prestatievoordelen terwijl wetenschappers racen om de eerste praktische kwantumcomputers te bouwen.

De onderzoeksgroep UChicago bestaat uit computerwetenschappers en natuurkundigen van de EPiQC-samenwerking (Enabling Practical-scale Quantum Computation), een NSF-expeditie in Computing die in 2018 van start ging. EPiQC wil de kloof overbruggen van bestaande theoretische algoritmen naar praktische kwantumcomputingarchitecturen op apparaten op korte termijn.

Benaderingen van informatica en natuurkunde samenvoegen

De kerntechniek achter het artikel van het EPiQC-team past kwantumoptimale controle aan, een benadering ontwikkeld door natuurkundigen lang voordat quantum computing mogelijk was. Quantum optimale controle verfijnt de bedieningsknoppen van kwantumsystemen om deeltjes continu naar de gewenste kwantumtoestanden te drijven - of in een computercontext, een gewenst programma implementeren.

Indien succesvol aangepast, kwantumoptimale controle zou kwantumcomputers in staat stellen programma's met de hoogst mogelijke efficiëntie uit te voeren... maar dat gaat gepaard met een prestatieafweging.

"Natuurkundigen gebruiken al jarenlang kwantumoptimale controle om kleine systemen te manipuleren, maar het probleem is dat hun aanpak niet schaalbaar is, ", zegt onderzoeker Yunong Shi.

Zelfs met geavanceerde hardware, het duurt enkele uren om kwantumoptimale controle uit te voeren die is gericht op een machine met slechts 10 kwantumbits (qubits). Bovendien, deze looptijd schaalt exponentieel, dat maakt kwantumoptimale controle onhoudbaar voor de 20-100 qubit-machines die het komende jaar worden verwacht.

In de tussentijd, computerwetenschappers hebben hun eigen methoden ontwikkeld voor het samenstellen van kwantumprogramma's tot aan de bedieningsknoppen van kwantumhardware. De computerwetenschappelijke benadering heeft het voordeel van schaalbaarheid:compilers kunnen gemakkelijk programma's compileren voor machines met duizenden qubits. Echter, deze compilers zijn zich grotendeels niet bewust van de onderliggende kwantumhardware. Vaak, er is een ernstige mismatch tussen de kwantumbewerkingen waarmee de software te maken heeft en de bewerkingen die de hardware uitvoert. Als resultaat, de gecompileerde programma's zijn inefficiënt.

Het werk van het EPiQC-team combineert de computerwetenschappelijke en natuurkundige benaderingen door grote kwantumprogramma's intelligent op te splitsen in subprogramma's. Elk subprogramma is klein genoeg om te worden afgehandeld door de natuurkundige benadering van kwantumoptimale controle, zonder prestatieproblemen op te lopen. Deze benadering realiseert zowel de schaalbaarheid op programmaniveau van traditionele compilers uit de computerwetenschapswereld als de efficiëntiewinsten op subprogrammaniveau van kwantumoptimale controle.

De intelligente generatie van subprogramma's wordt aangedreven door een algoritme voor het exploiteren van commutativiteit - een fenomeen waarbij kwantumbewerkingen in elke volgorde kunnen worden herschikt. Over een breed scala aan kwantumalgoritmen, relevant voor zowel de korte als de lange termijn, de compiler van het EPiQC-team behaalt twee tot tien keer snellere uitvoering dan de baseline. Maar vanwege de kwetsbaarheid van qubits, de versnellingen in de uitvoering van kwantumprogramma's vertalen zich in exponentieel hogere slagingspercentages voor de ultieme berekening. Zoals Shi benadrukt, "op kwantumcomputers, het versnellen van uw executietijd is do-or-die."

Abstractiebarrières doorbreken

Deze nieuwe compilertechniek wijkt aanzienlijk af van eerder werk. "Vroegere compilers voor kwantumprogramma's zijn gemodelleerd naar compilers voor moderne conventionele computers, " zei Fred Chong, Seymour Goodman Professor in Computer Science aan UChicago en hoofd PI voor EPiQC. Maar in tegenstelling tot conventionele computers, kwantumcomputers zijn notoir kwetsbaar en lawaaierig, dus technieken die zijn geoptimaliseerd voor conventionele computers, passen niet goed bij kwantumcomputers. "Onze nieuwe compiler is anders dan de vorige set klassiek geïnspireerde compilers omdat hij de abstractiebarrière tussen kwantumalgoritmen en kwantumhardware doorbreekt, wat leidt tot meer efficiëntie ten koste van een complexere compiler."

Terwijl het onderzoek van het team draait om het bewust maken van de compilersoftware van de onderliggende hardware, het is agnostisch voor het specifieke type onderliggende hardware. Dit is belangrijk omdat er momenteel verschillende soorten kwantumcomputers in ontwikkeling zijn, zoals die met supergeleidende qubits en ingesloten ionenqubits.

Het team verwacht de komende maanden experimentele realisaties van hun aanpak te zien, vooral nu een open industriestandaard, OpenPuls, is gedefinieerd. Deze standaard maakt het mogelijk om kwantumcomputers op het laagst mogelijke niveau te laten werken, zoals nodig voor kwantumoptimale controletechnieken. IBM's quantum roadmap benadrukt OpenPulse-ondersteuning als een belangrijke doelstelling voor 2019, en andere bedrijven zullen naar verwachting ook soortgelijke plannen aankondigen.

De volledige paper van het team, "Geoptimaliseerde compilatie van geaggregeerde instructies voor realistische kwantumcomputers" is nu gepubliceerd op arXiv en zal worden gepresenteerd op de ASPLOS computerarchitectuurconferentie in Rhode Island op 17 april. Naast Shi en Chong, co-auteurs zijn onder meer Nelson Leung, Pranav Gokhale, Zane Rossi, David I Schuster, en Hendrik Hofman, allemaal aan de Universiteit van Chicago.