Una nueva técnica de investigadores de la Universidad de Princeton, La Universidad de Chicago e IBM mejoran significativamente la confiabilidad de las computadoras cuánticas al aprovechar los datos sobre el ruido de las operaciones en hardware real. En un artículo presentado esta semana, Los investigadores describen un método de compilación novedoso que aumenta la capacidad de las computadoras cuánticas "ruidosas" y con recursos limitados para producir respuestas útiles. Notablemente, los investigadores demostraron una mejora de casi tres veces el promedio en la confiabilidad para ejecuciones de sistemas reales en la computadora cuántica de 16 qubit de IBM, mejorar algunas ejecuciones de programas hasta en dieciocho veces.

El grupo de investigación conjunto incluye 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 las aplicaciones y programas cuánticos teóricos y las arquitecturas prácticas de computación cuántica en dispositivos a corto plazo. Los investigadores de EPiQC se asociaron con expertos en computación cuántica de IBM para este estudio, que se presentará en la 24a Conferencia Internacional ACM sobre soporte arquitectónico para lenguajes de programación y sistemas operativos (ASPLOS) en Providence, Rhode Island el 17 de abril.

Adaptar programas al ruido qubit

Las computadoras cuánticas están compuestas de qubits (bits cuánticos) que están dotados de propiedades especiales de la mecánica cuántica. Estas propiedades especiales (superposición y entrelazamiento) permiten que la computadora cuántica represente un gran espacio de posibilidades y las peine en busca de la respuesta correcta. encontrar soluciones mucho más rápido que las computadoras clásicas.

Sin embargo, las computadoras cuánticas de hoy y los próximos 5 a 10 años están limitadas por operaciones ruidosas, donde las operaciones de la puerta de la computación cuántica producen inexactitudes y errores. Mientras ejecuta un programa, estos errores se acumulan y potencialmente conducen a respuestas incorrectas.

Para compensar estos errores, los usuarios ejecutan programas cuánticos miles de veces y seleccionan la respuesta más frecuente como la respuesta correcta. La frecuencia de esta respuesta se denomina tasa de éxito del programa. En una computadora cuántica ideal, esta tasa de éxito sería del 100%; cada ejecución en el hardware produciría la misma respuesta. Sin embargo, en la práctica, Las tasas de éxito son mucho menores al 100% debido a operaciones ruidosas.

Los investigadores observaron que en hardware real, como el sistema IBM de 16 qubit, las tasas de error de las operaciones cuánticas tienen variaciones muy grandes en los diferentes recursos de hardware (qubits / puertas) del sistema. Estas tasas de error también pueden variar de un día a otro. Los investigadores encontraron que las tasas de error de operación pueden tener hasta 9 veces más variación dependiendo del momento y la ubicación de la operación. Cuando se ejecuta un programa en esta máquina, los qubits de hardware elegidos para la ejecución determinan la tasa de éxito.

"Si queremos ejecutar un programa hoy, y nuestro compilador elige una puerta de hardware (operación) que tiene una tasa de error baja, la tasa de éxito del programa desciende drásticamente, "dijo el investigador Prakash Murali, estudiante de posgrado en la Universidad de Princeton. "En lugar de, si compilamos con conocimiento de este ruido y ejecutamos nuestros programas usando los mejores qubits y operaciones en el hardware, podemos aumentar significativamente la tasa de éxito ".

Para explotar esta idea de adaptar la ejecución del programa al ruido del hardware, los investigadores desarrollaron un compilador "adaptable al ruido" que utiliza datos detallados de caracterización del ruido para el hardware de destino. Dichos datos de ruido se miden de forma rutinaria para los sistemas cuánticos de IBM como parte de la calibración de la operación diaria e incluyen las tasas de error para cada tipo de operación capaz en el hardware. Aprovechando estos datos, el compilador asigna qubits de programa a qubits de hardware que tienen bajas tasas de error y programa las puertas rápidamente para reducir las posibilidades de que el estado decaiga por la decoherencia. Además, también minimiza el número de operaciones de comunicación y las realiza utilizando operaciones de hardware confiables.

Mejora de la calidad de las ejecuciones en un sistema cuántico real

Para demostrar el impacto de este enfoque, los investigadores compilaron y ejecutaron un conjunto de programas de referencia en la computadora cuántica IBM de 16 qubit, comparando la tasa de éxito de su nuevo compilador adaptable al ruido con las ejecuciones del compilador Qiskit de IBM, el compilador predeterminado para esta máquina. A través de los puntos de referencia, observaron una mejora de casi tres veces el promedio en la tasa de éxito, con mejoras de hasta dieciocho veces en algunos programas. En varios casos, El compilador de IBM produjo respuestas incorrectas para las ejecuciones debido a su desconocimiento del ruido, mientras que el compilador adaptable al ruido produjo respuestas correctas con altas tasas de éxito.

Aunque los métodos del equipo se demostraron en la máquina de 16 qubits, Se espera que todos los sistemas cuánticos en los próximos 5 a 10 años tengan operaciones ruidosas debido a las dificultades para realizar puertas precisas, defectos causados ​​por la fabricación litográfica, fluctuaciones de temperatura, y otras fuentes. La adaptabilidad al ruido será crucial para aprovechar el poder computacional de estos sistemas y allanar el camino hacia la computación cuántica a gran escala.

"Cuando ejecutamos programas a gran escala, queremos que las tasas de éxito sean altas para poder distinguir la respuesta correcta del ruido y también para reducir el número de ejecuciones repetidas necesarias para obtener la respuesta, "enfatizó Murali." Nuestra evaluación demuestra claramente que la adaptabilidad al ruido es crucial para lograr todo el potencial de los sistemas cuánticos ".

El artículo completo del equipo, "Noise-Adaptive Compiler Mappings for Noise Intermediate-Scale Quantum Computers" se publica ahora en arXiv y se presentará en la 24a Conferencia Internacional ACM sobre soporte arquitectónico para lenguajes de programación y sistemas operativos (ASPLOS) en Providence, Rhode Island el 17 de abril.