Een recente studie onder leiding van onderzoekers van Princeton University, in samenwerking met de Universiteit van Maryland en IBM, verkende het architectonisch ontwerp van kwantumcomputers (QC). In een paper gepresenteerd op het 2019 ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture, de onderzoekers hebben tot nu toe de grootste real-system-evaluatie van kwantumcomputers uitgevoerd, met behulp van zeven kwantumcomputers van IBM, Rigetti en de Universiteit van Maryland.

De onderzoekers ontwikkelden nieuwe software om te compileren van QC-applicaties tot hardware-prototypes; op foutgevoelige QC-hardware in een vroeg stadium, deze compiler levert tot 28 keer betere programma-correctheidspercentages in vergelijking met industriële compilers. De studie benadrukt het belang van een zorgvuldig ontwerp van de instructieset, rijke connectiviteittopologieën en de noodzaak om applicaties en hardware samen te ontwerpen om de beste prestaties te behalen met nieuwe QC-systemen.

Veel verschillende kwantumcomputertechnologieën

Quantum computing is een fundamenteel nieuw computerparadigma met veelbelovende toepassingen in het ontwerpen van geneesmiddelen, kunstmest ontwerp, kunstmatige intelligentie en veilige informatieverwerking, onder andere. Vanaf het begin in de jaren tachtig als een puur theoretische onderneming, kwantumcomputing is nu zo ver gevorderd dat er kleine prototypesystemen beschikbaar zijn voor experimenten. Bedrijven als IBM en Rigetti bieden nu gratis toegang tot hun systemen van vijf tot 16 qubits via de cloud. Deze systemen kunnen worden geprogrammeerd met behulp van reeksen instructies, ook wel operaties of poorten genoemd.

Analoog aan de begindagen van de klassieke informatica met systemen die zijn gebouwd met relaiscircuits of transistors van vacuümbuizen, QC-systemen kunnen tegenwoordig worden opgebouwd uit verschillende hardwaretechnologieën. Koplopertechnologieën zijn onder meer supergeleidende qubits en de ingesloten ionenqubits, met andere kandidaat-technologieën ook van groot belang. Echter, in tegenstelling tot klassieke binaire computers, QC-technologieën zijn zo verschillend dat zelfs de fundamentele poortbewerkingen die op een enkele qubit kunnen worden uitgevoerd, sterk verschillen. Het selecteren van de meest geschikte poortbewerkingen die moeten worden weergegeven voor softwaregebruik, is een belangrijke QC-ontwerpbeslissing.

Huidige QC-systemen verschillen ook wat betreft de betrouwbaarheid van bewerkingen tussen paren qubits. Bijvoorbeeld, in supergeleidende qubits zoals die van IBM en Rigetti, de qubits worden afgedrukt op een 2D-wafer met behulp van een methode die vergelijkbaar is met klassieke processorfabricage. Bij deze systemen inter-qubit-bewerkingen zijn alleen toegestaan ​​tussen qubits die dicht bij elkaar liggen en verbonden zijn door speciale draden. Deze fabricagebenadering legt beperkingen op in hoe verschillende qubits kunnen communiceren, namelijk elke qubit in het systeem rechtstreeks laten communiceren met slechts een paar andere nabije qubits. In tegenstelling tot, voor de ingesloten ionenqubits in UMD, inter-qubit-bewerkingen worden uitgevoerd met behulp van de vibrerende beweging van een keten van ionen. Omdat deze benadering geen gebruik maakt van fysieke verbindingen in de vorm van draden, het maakt inter-qubit-bewerkingen mogelijk tussen elk paar qubits in het systeem. Dit uitgebreidere communicatiemodel kan nuttig zijn voor sommige QC-algoritmen.

Een derde opvallend kenmerk is dat in al deze kandidaat-technologieën, de kwantumtoestand is heel moeilijk precies te manipuleren. Dit leidt tot operationele foutenpercentages. In aanvulling, de omvang van deze fouten varieert aanzienlijk, zowel over de qubits in het systeem als door de tijd heen. Als resultaat, deze grote ruisvariaties veranderen de betrouwbaarheid van de bewerkingen tot een factor 10. Aangezien QC-algoritmen verschillende van deze bewerkingen aan elkaar koppelen, foutenpercentages per bewerking zijn zo hoog dat het voor het programma moeilijk is om in het algemeen het juiste antwoord te krijgen.

Architectuur voor kwantumcomputers

De dramatische verschillen tussen verschillende QC-implementaties hebben onderzoekers ertoe aangezet om programmeerinterfaces te ontwerpen die de programmeur beschermen tegen de implementatiedetails en foutenpercentages van de qubits. Zo'n interface, algemeen bekend als instructiesetarchitectuur (ISA), dient als een hoeksteen van moderne computersystemen.

De ISA bevat een reeks instructies die op de hardware kunnen worden uitgevoerd en dient als contract tussen de hardware-implementatie en de software. Zolang het programma bewerkingen gebruikt die door de ISA zijn toegestaan, het kan worden uitgevoerd zonder aanpassingen op hardware, die ook dezelfde ISA implementeert, ongeacht eventuele verschillen tussen de hardware-implementaties.

QC-leveranciers nemen een aantal ontwerpbeslissingen over de ISA en de connectiviteit van de qubits. Elke leverancier kiest ervoor om een ​​set software-zichtbare poorten te leveren die de specifieke details van de poortimplementaties maskeren. Deze poorten zijn meestal niet hetzelfde als de fundamentele operaties, en worden vaak gekozen als bewerkingen die vaak worden gebruikt door ontwerpers en programmeurs van kwantumalgoritmen.

"Welke poorten moet een leverancier kiezen om bloot te stellen aan hardware? Moeten we deze poorten abstraheren in een gemeenschappelijke ISA voor alle leveranciers of ze afstemmen op de onderliggende apparaatkenmerken?" vraagt ​​Prakash Murali, een afgestudeerde student aan Princeton en een auteur van de studie. evenzo, de keuze van qubit-connectiviteit, hoewel beïnvloed door de hardwaretechnologie, bepaalt welke inter-qubit-bewerkingen een programma kan gebruiken. "Hoe moet de leverancier hun qubits met elkaar verbinden? Hoe beïnvloedt het samenspel van variabele ruissnelheden en connectiviteit programma's?" zegt Murali.

Ontwerpinzichten voor kwantumcomputerarchitectuur

Om deze ontwerpvragen te beantwoorden, de onderzoekers evalueerden de architectuur van zeven systemen van drie leveranciers, IBM, Rigetti en UMD, met verschillende connectiviteittopologieën, verspreid over twee hardware-qubit-technologieën. Omdat kwantumcomputers luidruchtig zijn, het is in de praktijk gebruikelijk om programma's enkele duizenden keren uit te voeren en het meest voorkomende antwoord als correct antwoord te rapporteren. Om de kans op correcte runs te vergroten, dit werk ontwikkelde TriQ, een multi-vendor optimaliserende compiler die de leverancierscompilers met aanzienlijke marges overtreft, ondanks cross-platform toepasbaarheid.

Met behulp van TriQ, de onderzoekers toonden aan dat de architecturale ontwerpkeuzes van een systeem de correctheid van programma-uitvoeringen aanzienlijk kunnen beïnvloeden, onderstreept het belang van het maken van deze ontwerpkeuzes met de programma-eisen in gedachten. Ze merkten op dat de keuze van de leverancier voor de software-zichtbare gate-set zowel het aantal bewerkingen dat nodig is om een ​​programma uit te voeren als de correctheid kan beïnvloeden. Wanneer de verkoper de native of fundamentele operaties blootlegt, TriQ kan het aantal native bewerkingen dat nodig is om een ​​set programma-instructies uit te voeren aanzienlijk verminderen, en het correctheidspercentage verhogen. Dit suggereert dat op kwantumcomputers, het is voorbarig om alle kennis van de native instructies af te schermen via een apparaat- of leverancieronafhankelijke ISA op een manier die vergelijkbaar is met klassieke systemen.

"We ontdekten ook dat de match tussen de communicatievereisten van de applicatie en de hardwareconnectiviteittopologie cruciaal is. Wanneer de hardware een applicatie kan ondersteunen met slechts een klein aantal communicatiebewerkingen, de toepassing heeft meestal een grotere kans om correct te worden uitgevoerd. Wanneer er een mismatch is, en er zijn veel communicatiehandelingen nodig, toepassingscorrectheidspercentages lijden, ' zei Murori.

Met zijn open-source softwaretools die nu beschikbaar zijn op github, het werk in dit document heeft het potentieel om significante real-world verbeteringen te bieden in de compilatie van QC-software, terwijl het ook de mogelijkheid biedt voor bredere inzichten in de ontwerpbenaderingen die het meest effectief zijn voor QC-hardware.