Un nuevo hallazgo de investigadores de la Universidad de Chicago promete mejorar la velocidad y confiabilidad de las computadoras cuánticas actuales y de la próxima generación hasta diez veces. Combinando principios de la física y la informática, los investigadores desarrollaron un nuevo compilador escalable que hace que el software sea consciente del hardware cuántico subyacente, ofreciendo importantes beneficios de rendimiento a medida que los científicos se apresuran a construir las primeras computadoras cuánticas prácticas.
El grupo de investigación UChicago está formado por científicos informáticos y físicos de la colaboración EPiQC (Habilitación de la computación cuántica a escala práctica), una expedición de NSF en informática que comenzó en 2018. EPiQC tiene como objetivo cerrar la brecha entre los algoritmos teóricos existentes y las arquitecturas prácticas de computación cuántica en dispositivos a corto plazo.
Fusionando enfoques de la informática y la física
La técnica central detrás del artículo del equipo de EPiQC adapta el control óptimo cuántico, un enfoque desarrollado por los físicos mucho antes de que fuera posible la computación cuántica. El control óptimo cuántico afina las perillas de control de los sistemas cuánticos para impulsar continuamente las partículas a los estados cuánticos deseados, o en un contexto informático, implementar un programa deseado.
Si se adapta con éxito, El control óptimo cuántico permitiría a las computadoras cuánticas ejecutar programas con la mayor eficiencia posible ... pero eso viene con una compensación de rendimiento.
"Los físicos han estado utilizando el control óptimo cuántico para manipular sistemas pequeños durante muchos años, pero el problema es que su enfoque no escala, "dijo el investigador Yunong Shi.
Incluso con hardware de última generación, se necesitan varias horas para ejecutar un control óptimo cuántico dirigido a una máquina con solo 10 bits cuánticos (qubits). Es más, este tiempo de ejecución escala exponencialmente, lo que hace que el control óptimo cuántico sea insostenible para las máquinas de 20-100 qubit previstas para el próximo año.
Mientras tanto, Los informáticos han desarrollado sus propios métodos para compilar programas cuánticos hasta los botones de control del hardware cuántico. El enfoque de la informática tiene la ventaja de la escalabilidad:los compiladores pueden compilar fácilmente programas para máquinas con miles de qubits. Sin embargo, estos compiladores desconocen en gran medida el hardware cuántico subyacente. A menudo, Existe un desajuste grave entre las operaciones cuánticas con las que se ocupa el software y las que ejecuta el hardware. Como resultado, los programas compilados son ineficientes.
El trabajo del equipo de EPiQC fusiona los enfoques de la ciencia de la computación y la física mediante la división inteligente de grandes programas cuánticos en subprogramas. Cada subprograma es lo suficientemente pequeño como para que pueda ser manejado por el enfoque físico del control óptimo cuántico, sin tener problemas de rendimiento. Este enfoque realiza tanto la escalabilidad a nivel de programa de los compiladores tradicionales del mundo de la informática como las ganancias de eficiencia a nivel de subprograma del control óptimo cuántico.
La generación inteligente de subprogramas está impulsada por un algoritmo para explotar la conmutatividad, un fenómeno en el que las operaciones cuánticas se pueden reorganizar en cualquier orden. A través de una amplia gama de algoritmos cuánticos, relevante tanto a corto como a largo plazo, El compilador del equipo EPiQC logra una aceleración de ejecución de dos a diez veces superior a la línea de base. Pero debido a la fragilidad de los qubits, las aceleraciones en la ejecución del programa cuántico se traducen en tasas de éxito exponencialmente más altas para el cálculo final. Como enfatiza Shi, "en computadoras cuánticas, acelerar el tiempo de ejecución es vida o muerte ".
Rompiendo barreras de abstracción
Esta nueva técnica de compilación es una desviación significativa del trabajo anterior. "Los compiladores anteriores de programas cuánticos se han modelado a partir de compiladores de computadoras convencionales modernas, "dijo Fred Chong, Seymour Goodman, profesor de Ciencias de la Computación en UChicago e investigador principal de EPiQC. Pero a diferencia de las computadoras convencionales, Las computadoras cuánticas son notoriamente frágiles y ruidosas, por lo que las técnicas optimizadas para computadoras convencionales no se adaptan bien a las computadoras cuánticas. “Nuestro nuevo compilador es diferente al conjunto anterior de compiladores de inspiración clásica porque rompe la barrera de abstracción entre los algoritmos cuánticos y el hardware cuántico, lo que conduce a una mayor eficiencia a costa de tener un compilador más complejo ".
Si bien la investigación del equipo gira en torno a hacer que el software del compilador sea consciente del hardware subyacente, es independiente del tipo específico de hardware subyacente. Esto es importante ya que hay varios tipos diferentes de computadoras cuánticas actualmente en desarrollo, como los que tienen qubits superconductores y qubits de iones atrapados.
El equipo espera ver realizaciones experimentales de su enfoque en los próximos meses, particularmente ahora que un estándar industrial abierto, OpenPulse, ha sido definido. Este estándar permitirá el funcionamiento de computadoras cuánticas al nivel más bajo posible, según sea necesario para las técnicas de control óptimas cuánticas. La hoja de ruta cuántica de IBM destaca el soporte de OpenPulse como un objetivo clave para 2019, y se espera que otras empresas también anuncien planes similares.
El artículo completo del equipo, La "Compilación optimizada de instrucciones agregadas para computadoras cuánticas realistas" se publica ahora en arXiv y se presentará en la conferencia de arquitectura de computadoras de ASPLOS en Rhode Island el 17 de abril. Además de Shi y Chong, los coautores incluyen a Nelson Leung, Pranav Gokhale, Zane Rossi, David I. Schuster, y Henry Hoffman, todo en la Universidad de Chicago.
