Оптимизация сетей обмена данными для квантовых вычислений

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 22 декабря 2022 г., 3:40:07 MSK
  • 0 комментариев
  • 64 просмотра
Исследователи продемонстрировали, как интеллектуальный компилятор, специально разработанный для сверхпроводящего квантового оборудования, может оптимизировать схемы и сети и выполнять менее подверженные ошибкам квантовые алгоритмы, такие как алгоритм квантовой приближенной оптимизации (QAOA), важный для квантовых вычислений.

Исследовательское партнерство на передовом квантовом испытательном стенде (AQT) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и чикагской компании Super.tech (приобретенной ColdQuanta в мае 2022 года) продемонстрировало, как оптимизировать выполнение сетевого протокола ZZ SWAP, важного для квантовых вычислений. Команда также представила новый метод устранения квантовых ошибок, который улучшит реализацию сетевого протокола в квантовых процессорах. Экспериментальные данные были опубликованы в июле этого года в Исследование физического обзораh, добавив в ближайшей перспективе больше путей для реализации квантовых алгоритмов с использованием квантовых вычислений на основе вентилей.

Умный компилятор для сверхпроводящего квантового оборудования

Квантовые процессоры с двух- или трехмерной архитектурой имеют ограниченную кубитную связность, где каждый кубит взаимодействует только с ограниченным числом других кубитов. Кроме того, информация каждого кубита может существовать только так долго, прежде чем шум и ошибки приведут к декогеренции, ограничивая время выполнения и точность квантовых алгоритмов. Следовательно, при проектировании и выполнении квантовой схемы исследователи должны оптимизировать преобразование схемы, состоящей из абстрактных (логических) элементов, в физические инструкции, основанные на собственных аппаратных элементах, доступных в данном квантовом процессоре. Эффективные схемы декомпозиции сводят к минимуму время работы, поскольку они учитывают количество элементов и операций, изначально поддерживаемых аппаратным обеспечением, для выполнения желаемых логических операций.

Элементы обмена, которые обменивают информацию между кубитами, часто вводятся в квантовые схемы для облегчения взаимодействия между информацией в несмежных кубитах. Если квантовое устройство допускает только переходы между соседними кубитами, обмены используются для перемещения информации из одного кубита в другой несмежный кубит.

В зашумленном квантовом оборудовании среднего масштаба (NISQ) внедрение элементов подкачки может потребовать больших затрат на эксперимент. Ворота подкачки часто должны быть разложены на собственные ворота, такие как управляемые-НЕ ворота. Поэтому при проектировании квантовых схем с ограниченной связью кубитов важно использовать интеллектуальный компилятор, который может выполнять поиск, декомпозицию и отмену избыточных квантовых вентилей для улучшения времени выполнения квантового алгоритма или приложения.

Исследовательское партнерство использовало программное обеспечение SuperstaQ от Super.tech, позволяющее ученым точно адаптировать свои приложения и автоматизировать компиляцию схем для сверхпроводящего оборудования AQT, особенно для встроенного высокоточного управляемого S-затвора, который недоступен в большинстве аппаратных систем. Этот интеллектуальный подход к компиляции с использованием четырех кубитов transmon позволяет декомпозировать сети обмена более эффективно, чем стандартные методы декомпозиции.

Сеть элементов обмена ZZ требует лишь минимальной линейной связности между кубитами без дополнительных соединений, поэтому она предлагает практические преимущества для эффективного выполнения квантовых алгоритмов, таких как алгоритм квантовой приближенной оптимизации (QAOA). QAOA аппроксимирует решения задач комбинаторной оптимизации - нахождение оптимального ответа путем задания набора критериев. Задача максимального сокращения, которая может быть использована для организации узлов в транспортной сетевой системе, является примером известной задачи комбинаторной оптимизации, которая потенциально может быть решена быстрее с помощью QAOA с использованием квантовых схем.

"Одной из самых сложных задач в квантовых вычислениях является выполнение дискретных логических операций. Поскольку наши управляющие сигналы являются аналоговыми и непрерывными, они всегда несовершенны. По мере того как мы создаем все более сложные квантовые схемы, программная инфраструктура, которая оптимально компилирует вентили, адаптированные к аппаратным средствам AQT, помогает нам достичь более высокой точности работы", - Акель Хашим, ведущий исследователь AQT в эксперименте и аспирант Калифорнийского университета в Беркли.

"Уникальная особенность квантовых вычислений заключается в том, что они позволяют использовать частичные логические элементы. Эта функция не имеет аналогов в традиционной булевой логике - например, ваш портативный компьютер не может выполнить 50% элемента AND. Способность AQT калибровать эти квантовые вентили с частичным управлением открыла нам дверь для разработки более широкого спектра новых оптимизаций, позволяющих максимально использовать аппаратное обеспечение", - сказал Рич Райнс, ранее работавший в Super.tech, а в настоящее время инженер-программист в ColdQuanta.

"Ключевой задачей разработки программного обеспечения для этого эксперимента было удаленное сотрудничество, поэтому мы итеративно разработали оптимизацию квантовых схем, основанную на калибровке команды custom gates AQT. Мы оптимизировали сквозную работу, выяснив, как сериализовать эти импульсы с учетом аппаратного обеспечения. Мы также выяснили, как интегрировать пакеты программного обеспечения quantum с открытым исходным кодом с нашим компилятором, гарантируя, что наши оптимизации не приведут к повторному изобретению колеса", - сказала Виктория Омоле, ранее работавшая в Super.tech и инженер-программист ColdQuanta.

В рамках эксперимента команда также представила новую технику, называемую усреднением эквивалентных схем (ECA), которая рандомизировала различные параметры сетей обмена для создания множества логически эквивалентных схем. ECA рандомизирует декомпозицию квантовых схем, смягчая влияние систематических когерентных ошибок - одной из самых серьезных ошибок в квантовых компьютерах, широко изучаемой в AQT.

"Я предложил способ объединить мою предыдущую экспериментальную работу по рандомизированной компиляции с Quantum Benchmark (приобретенным Keysight) с использованием интеллектуального компилятора Super.tech, чтобы изучить новый способ уменьшения влияния ошибок перекрестных помех", - сказал Хашим. "У меня не хватило бы проницательности прийти к этой идее, если бы я не работал с другими исследователями в рамках пользовательской программы AQT. Как человек, который собирается поступить на работу, налаживание связей имеет решающее значение для создания основной базы людей, которых я знаю в этой области, которые являются экспертами в различных областях, которым я также могу предложить исследовательские идеи ".

Эти экспериментальные оптимизации привели к повышению точности работы QAOA до 88%. Исследователи намерены продолжать изучать и совершенствовать методы в этой работе и применять их в других приложениях.

Поддержка роста отрасли с Помощью Исследовательской Лаборатории с Открытым Доступом

AQT управляет современным открытым экспериментальным стендом, основанным на сверхпроводящих цепях, и финансируется программой Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Управления науки Министерства энергетики США. Технологии, разработанные в других местах, могут быть развернуты и протестированы в полевых условиях в AQT, обеспечивая глубокий доступ ко всему стеку квантовых вычислений без каких-либо дополнительных затрат.

С момента запуска своей пользовательской программы в 2020 году AQT предоставила Super.tech, одному из нескольких отраслевых пользователей, низкоуровневый доступ к оборудованию для тестирования своих идей. Немногие облачные квантовые платформы предлагают такой тип полного доступа ко всему стеку квантовых вычислений и бесплатную обратную связь в режиме реального времени от экспертов по оборудованию. Super.tech сотрудничал с экспериментальной командой экспертов AQT, чтобы изучить способы повышения производительности на этом типе оборудования.

"Раскрывая внутренние элементы управления квантовым оборудованием, подход AQT к сотрудничеству с пользователями стимулирует инновации во всем стеке квантовых вычислений. Мы с нетерпением ожидаем продолжения нашего исследовательского сотрудничества с AQT, и мы продолжим делиться этими результатами с научным сообществом, публикуя наши выводы", - сказал Пранав Гокхале, вице-президент по квантовому программному обеспечению ColdQuanta и бывший генеральный директор и соучредитель Super.tech.

AQT в Berkeley Lab продолжает развиваться как передовой центр исследований и разработок в области квантовой информации, объединяя опыт и пользователей, включая стартапы на ранней стадии, такие как Super.tech, которые сейчас продолжают свой путь роста в рамках ColdQuanta.

Комментарии

0 комментариев