Een nieuwe techniek van onderzoekers van Princeton University, University of Chicago en IBM verbeteren de betrouwbaarheid van kwantumcomputers aanzienlijk door gebruik te maken van gegevens over het lawaai van bewerkingen op echte hardware. In een deze week gepresenteerde paper onderzoekers beschrijven een nieuwe compilatiemethode die het vermogen van beperkte en "luidruchtige" kwantumcomputers om bruikbare antwoorden te produceren, vergroot. Opmerkelijk, de onderzoekers toonden een bijna driemaal gemiddelde verbetering in betrouwbaarheid voor real-system runs op IBM's 16-qubit kwantumcomputer, het verbeteren van sommige programma-uitvoeringen met maar liefst achttien keer.

De gezamenlijke onderzoeksgroep omvat 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 tussen theoretische kwantumtoepassingen en -programma's en praktische kwantumcomputerarchitecturen op apparaten op korte termijn. EPiQC-onderzoekers werkten voor deze studie samen met quantum computing-experts van IBM, die zal worden gepresenteerd op de 24e ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) conferentie in Providence, Rhode Island op 17 april.

Programma's aanpassen aan qubit-ruis

Quantumcomputers zijn samengesteld uit qubits (quantumbits) die bijzondere eigenschappen hebben uit de kwantummechanica. Deze speciale eigenschappen (superpositie en verstrengeling) stellen de kwantumcomputer in staat om een ​​zeer grote ruimte van mogelijkheden te representeren en deze door te kammen voor het juiste antwoord, veel sneller oplossingen vinden dan klassieke computers.

Echter, de kwantumcomputers van vandaag en de komende 5-10 jaar worden beperkt door lawaaierige operaties, waar de quantum computing-gate-operaties onnauwkeurigheden en fouten produceren. Tijdens het uitvoeren van een programma, deze fouten stapelen zich op en leiden mogelijk tot verkeerde antwoorden.

Om deze fouten te compenseren, gebruikers voeren kwantumprogramma's duizenden keren uit en selecteren het meest voorkomende antwoord als het juiste antwoord. De frequentie van dit antwoord wordt het slagingspercentage van het programma genoemd. In een ideale kwantumcomputer, dit slagingspercentage zou 100% zijn - elke run op de hardware zou hetzelfde antwoord opleveren. Echter, in praktijk, slagingspercentages zijn veel minder dan 100% vanwege luidruchtige operaties.

De onderzoekers merkten op dat op echte hardware, zoals het 16-qubit IBM-systeem, de foutenpercentages van kwantumbewerkingen hebben zeer grote variaties tussen de verschillende hardwarebronnen (qubits/gates) in het systeem. Deze foutenpercentages kunnen ook van dag tot dag verschillen. De onderzoekers ontdekten dat het aantal fouten bij operaties tot 9 keer zo groot kan zijn, afhankelijk van het tijdstip en de locatie van de operatie. Wanneer een programma op deze machine wordt uitgevoerd, de hardware-qubits die voor de run zijn gekozen, bepalen het slagingspercentage.

"Als we vandaag een programma willen draaien, en onze compiler kiest een hardwarepoort (bewerking) met een laag foutenpercentage, het slagingspercentage van het programma daalt dramatisch, " zei onderzoeker Prakash Murali, een afgestudeerde student aan de Princeton University. "In plaats daarvan, als we ons bewust zijn van deze ruis en onze programma's uitvoeren met de beste qubits en bewerkingen in de hardware, we kunnen het slagingspercentage aanzienlijk verhogen."

Om gebruik te maken van dit idee om de uitvoering van programma's aan hardwareruis aan te passen, de onderzoekers ontwikkelden een "ruisadaptieve" compiler die gebruikmaakt van gedetailleerde ruiskarakteriseringsgegevens voor de doelhardware. Dergelijke ruisgegevens worden routinematig gemeten voor IBM-kwantumsystemen als onderdeel van de dagelijkse bedrijfskalibratie en omvatten de foutpercentages voor elk type bewerking dat op de hardware mogelijk is. Door gebruik te maken van deze gegevens, de compiler wijst programma-qubits toe aan hardware-qubits met lage foutenpercentages en plant poorten snel om de kans op toestandsverval door decoherentie te verkleinen. In aanvulling, het minimaliseert ook het aantal communicatiebewerkingen en voert deze uit met behulp van betrouwbare hardwarebewerkingen.

Verbetering van de kwaliteit van runs op een echt kwantumsysteem

Om de impact van deze aanpak aan te tonen, de onderzoekers hebben een reeks benchmarkprogramma's samengesteld en uitgevoerd op de 16-qubit IBM-kwantumcomputer, het succespercentage van hun nieuwe ruis-adaptieve compiler vergelijken met uitvoeringen van IBM's Qiskit-compiler, de standaardcompiler voor deze machine. Over benchmarks heen, ze zagen een bijna drie keer gemiddelde verbetering in het slagingspercentage, met tot achttien keer verbeteringen op sommige programma's. In meerdere gevallen is IBM's compiler produceerde verkeerde antwoorden voor de uitvoeringen vanwege zijn onwetendheid over ruis, terwijl de ruisadaptieve compiler correcte antwoorden met hoge slagingspercentages produceerde.

Hoewel de methoden van het team werden gedemonstreerd op de 16-qubit-machine, alle kwantumsystemen in de komende 5-10 jaar zullen naar verwachting luidruchtige operaties hebben vanwege problemen bij het uitvoeren van precieze poorten, defecten veroorzaakt door lithografische fabricage, temperatuurschommelingen, en andere bronnen. Geluidsadaptiviteit zal cruciaal zijn om de rekenkracht van deze systemen te benutten en de weg vrij te maken voor grootschalige kwantumberekening.

"Als we grootschalige programma's uitvoeren, we willen dat de slagingspercentages hoog zijn om het juiste antwoord van ruis te kunnen onderscheiden en ook om het aantal herhaalde runs dat nodig is om het antwoord te verkrijgen, te verminderen, " benadrukte Murali. "Onze evaluatie toont duidelijk aan dat ruisadaptiviteit cruciaal is om het volledige potentieel van kwantumsystemen te bereiken."

De volledige paper van het team, "Noise-Adaptive Compiler Mappings for Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers" is nu gepubliceerd op arXiv en zal worden gepresenteerd op de 24e ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) conferentie in Providence, Rhode Island op 17 april.