Een nieuw artikel van onderzoekers van de Universiteit van Chicago introduceert een techniek voor het samenstellen van sterk geoptimaliseerde kwantuminstructies die kunnen worden uitgevoerd op hardware op korte termijn. Deze techniek is bijzonder geschikt voor een nieuwe klasse van variatie-kwantumalgoritmen, die veelbelovende kandidaten zijn voor het aantonen van bruikbare kwantumversnellingen. Het nieuwe werk werd mogelijk gemaakt door ideeën over de hele stapel te verenigen, overspannende kwantumalgoritmen, machinaal leren, samenstellers, en apparaatfysica. Het interdisciplinaire onderzoek is uitgevoerd door leden van de EPiQC-samenwerking (Enabling Practical-scale Quantum Computation), een NSF-expeditie in computergebruik.

Aanpassen aan een nieuw paradigma voor kwantumalgoritmen

De oorspronkelijke visie voor kwantumalgoritmen dateert uit het begin van de jaren tachtig, toen natuurkundige Richard Feynman voorstelde om moleculaire simulaties uit te voeren met slechts duizenden ruisloze qubits (kwantumbits), een praktisch onmogelijke taak voor traditionele computers. Andere algoritmen die in de jaren 1990 en 2000 werden ontwikkeld, toonden aan dat duizenden ruisloze qubits ook dramatische versnellingen zouden bieden voor problemen zoals het doorzoeken van databases, integer factoring, en matrixalgebra. Echter, ondanks recente ontwikkelingen in kwantumhardware, deze algoritmen zijn nog tientallen jaren verwijderd van schaalbare realisaties, omdat de huidige hardware luidruchtige qubits bevat.

Om tegemoet te komen aan de beperkingen van huidige en kortetermijnkwantumcomputers, er is onlangs een nieuw paradigma voor variabele kwantumalgoritmen ontstaan. Deze algoritmen pakken vergelijkbare rekenkundige uitdagingen aan als de oorspronkelijk beoogde kwantumalgoritmen, maar bouw weerstand op tegen ruis door bepaalde interne programmaparameters niet gespecificeerd te laten. In plaats daarvan, deze interne parameters worden geleerd door variatie over herhaalde proeven, begeleid door een optimizer. Met een robuuste optimizer, een variabel algoritme kan matige ruisniveaus tolereren.

Hoewel de ruisbestendigheid van variatiealgoritmen aantrekkelijk is, het vormt een uitdaging voor compilatie, het proces van het vertalen van een wiskundig algoritme naar de fysieke instructies die uiteindelijk door hardware worden uitgevoerd.

"De wisselwerking tussen variatie- en traditionele kwantumalgoritmen is dat, hoewel variatiebenaderingen goedkoop zijn in het aantal poorten, ze zijn duur in het aantal benodigde herhalingen, ' zei Fred Chong, de Seymour Goodman Professor of Computer Science aan UChicago en hoofd PI voor EPiQC. "Terwijl traditionele kwantumalgoritmen volledig worden gespecificeerd op het moment van uitvoering en daardoor volledig geoptimaliseerde pre-uitvoering, variatieprogramma's worden slechts gedeeltelijk gespecificeerd op het moment van uitvoering."

Gedeeltelijke compilatie

De onderzoekers pakken het probleem van gedeeltelijk gespecificeerde programma's aan met een parallelle techniek die gedeeltelijke compilatie wordt genoemd. Pranav Gokhale, een UChicago-promovendus legt uit, "Hoewel we een variatiealgoritme niet volledig kunnen compileren voor uitvoering, we kunnen in ieder geval de gespecificeerde onderdelen vooraf compileren." Voor typische variatiealgoritmen, deze eenvoudige heuristiek alleen is voldoende, het leveren van 2x versnellingen in quantum runtime ten opzichte van standaard gate-gebaseerde compilatietechnieken. Aangezien qubits exponentieel vervallen met de tijd, deze runtime-versnelling leidt ook tot verlagingen van de foutenpercentages.

Voor meer gecompliceerde algoritmen, de onderzoekers passen een tweede laag van optimalisaties toe die variaties numeriek karakteriseren als gevolg van de niet-gespecificeerde parameters, via een proces dat hyperparameteroptimalisatie wordt genoemd. "Een paar minuten besteden aan het afstemmen van hyperparameters en gedeeltelijke compilatie leidt tot uren besparing in uitvoeringstijd", vat Gokhale samen. Professor Chong merkt op dat dit thema van het realiseren van kostenbesparingen door het verschuiven van middelen - of het nu tussen traditioneel en kwantumcomputing is of tussen compilatie en uitvoering - weerklank vindt in verschillende andere EPiQC-projecten.

De onderzoekers willen vervolgens hun werk experimenteel demonstreren. Een dergelijke experimentele validatie is pas recent mogelijk geworden, met de release van cloud-toegankelijke kwantumcomputers die kunnen worden bestuurd op het niveau van analoge pulsen. Dit niveau van controle ligt veel dichter bij hardware dan standaard gate-gebaseerde controle, en de onderzoekers verwachten grotere efficiëntiewinsten te realiseren met deze pulsinterface.

Het artikel van de onderzoekers, "Partial Compilation of Variational Algorithms for Noisy Intermediate-Scale Quantum Machines" (arXiv-link) zal worden gepresenteerd op de MICRO computerarchitectuurconferentie in Columbus, Ohio op 14 oktober. Gokhale en Chong's co-auteurs zijn onder meer Yongshan Ding, Thomas Propson, Christoffel Winkler, Nelson Leung, Yunong Shi, David I Schuster, en Hendrik Hoffmann, allemaal ook van de Universiteit van Chicago.