Un estudio reciente dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton, en colaboración con la Universidad de Maryland e IBM, exploró el diseño arquitectónico de las computadoras cuánticas (QC). En un artículo presentado en el Simposio Internacional ACM / IEEE de 2019 sobre Arquitectura de Computadoras, los investigadores realizaron la mayor evaluación del sistema real de computadoras cuánticas hasta la fecha, usando siete computadoras cuánticas de IBM, Rigetti y la Universidad de Maryland.

Los investigadores desarrollaron un nuevo software para compilar desde aplicaciones de control de calidad hasta prototipos de hardware; en hardware de control de calidad en etapa temprana propenso a errores, este compilador ofrece una mejora de hasta 28 veces en las tasas de corrección del programa en comparación con los compiladores de la industria. El estudio destaca la importancia de un diseño cuidadoso del conjunto de instrucciones, ricas topologías de conectividad y la necesidad de codiseñar aplicaciones y hardware para lograr el mejor rendimiento de los sistemas de control de calidad incipientes.

Tecnologías de computación cuántica muy diferentes

La computación cuántica es un paradigma de computación fundamentalmente nuevo con aplicaciones prometedoras en el diseño de fármacos, diseño de fertilizantes, inteligencia artificial y procesamiento seguro de la información, entre otras cosas. Desde sus inicios en la década de 1980 como un esfuerzo puramente teórico, La computación cuántica ha progresado hasta el punto de que se dispone de pequeños prototipos de sistemas para experimentos. Empresas como IBM y Rigetti ahora ofrecen acceso gratuito a sus sistemas de cinco a 16 qubit a través de la nube. Estos sistemas se pueden programar usando secuencias de instrucciones, también conocido como operaciones o puertas.

De manera análoga a los primeros días de la computación clásica que involucraba sistemas construidos con circuitos de relés o transistores de tubos de vacío, Los sistemas de control de calidad de hoy se pueden construir a partir de varias tecnologías de hardware. Las tecnologías de vanguardia incluyen qubits superconductores y qubits de iones atrapados, con otras tecnologías candidatas también de considerable interés. Sin embargo, a diferencia de las computadoras binarias clásicas, Las tecnologías de control de calidad son tan diferentes que incluso las operaciones de puerta fundamentales que se pueden realizar en un solo qubit difieren ampliamente. La selección de las operaciones de puerta más apropiadas para exponerlas para el uso del software es una decisión importante de diseño de CC.

Los sistemas de CC actuales también difieren en términos de confiabilidad de las operaciones entre pares de qubits. Por ejemplo, en qubits superconductores como los de IBM y Rigetti, los qubits se imprimen en una oblea 2-D utilizando un método similar a la fabricación clásica de procesadores. En estos sistemas, Las operaciones entre qubits se permiten solo entre qubits que están cerca entre sí y conectados por cables especiales. Este enfoque de fabricación impone limitaciones en la forma en que los diferentes qubits pueden comunicarse, es decir, permitir que cada qubit en el sistema interactúe directamente con solo algunos otros qubits vecinos cercanos. A diferencia de, para los qubits de iones atrapados en UMD, Las operaciones entre qubit se realizan mediante el movimiento vibratorio de una cadena de iones. Debido a que este enfoque no utiliza conexiones físicas en forma de cables, permite operaciones entre qubits entre cualquier par de qubits del sistema. Este modelo de comunicación más amplio puede resultar útil para algunos algoritmos de CC.

Una tercera característica a destacar es que en todas estas tecnologías candidatas, el estado cuántico es muy difícil de manipular con precisión. Esto conduce a tasas de error operativo. Además, la magnitud de estos errores varía significativamente, tanto en los qubits del sistema como en el tiempo. Como resultado, Estas grandes variaciones de ruido cambian la confiabilidad de las operaciones hasta en un factor de 10. Dado que los algoritmos de CC encadenan varias de estas operaciones juntas, Las tasas de error por operación se componen para dificultar que el programa obtenga la respuesta correcta en general.

Arquitectura para computadoras cuánticas

Las diferencias dramáticas entre las diferentes implementaciones de QC han impulsado a los investigadores a diseñar interfaces de programación que protegen al programador de los detalles de implementación y las tasas de error de los qubits. Tal interfaz, comúnmente conocida como arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA), sirve como piedra angular de los sistemas informáticos modernos.

La ISA incluye un conjunto de instrucciones que se pueden ejecutar en el hardware y sirve como contrato entre la implementación del hardware y el software. Siempre que el programa utilice operaciones permitidas por la ISA, se puede ejecutar sin modificaciones en cualquier hardware, que también implementa la misma ISA, independientemente de las diferencias entre las implementaciones de hardware.

Los proveedores de QC toman una serie de decisiones de diseño sobre el ISA y la conectividad de los qubits. Cada proveedor elige proporcionar un conjunto de puertas visibles por software que enmascaran los detalles particulares de las implementaciones de las puertas. Por lo general, estas puertas no son las mismas que las operaciones fundamentales, y se eligen comúnmente para ser operaciones que los diseñadores y programadores de algoritmos cuánticos utilizan con frecuencia.

"¿Qué puertas debería elegir un proveedor para exponer al hardware? ¿Deberíamos abstraer estas puertas en un ISA común entre los proveedores o adaptarlas a las características subyacentes del dispositivo?" pregunta Prakash Murali, estudiante de posgrado en Princeton y autor del estudio. Similar, la elección de la conectividad qubit, aunque influenciado por la tecnología del hardware, determina qué operaciones entre qubit puede utilizar un programa. "¿Cómo debería el proveedor interconectar sus qubits? ¿Cómo influye la interacción de las tasas de ruido variables y la conectividad en los programas?" dice Murali.

Conocimientos de diseño para la arquitectura de la computadora cuántica

Para responder a estas preguntas de diseño, los investigadores evaluaron la arquitectura de siete sistemas de tres proveedores, IBM, Rigetti y UMD, con diferentes topologías de conectividad, que abarca dos tecnologías qubit de hardware. Dado que las computadoras cuánticas son ruidosas, Es una práctica estándar en el campo ejecutar programas varios miles de veces e informar la respuesta que ocurre con mayor frecuencia como respuesta correcta. Para aumentar la probabilidad de ejecuciones correctas, este trabajo desarrollado TriQ, un compilador de optimización de múltiples proveedores que supera a los compiladores de proveedores por márgenes significativos, a pesar de la aplicabilidad multiplataforma.

Usando TriQ, los investigadores demostraron que las elecciones de diseño arquitectónico de un sistema pueden influir significativamente en la tasa de corrección de las ejecuciones del programa, subrayando la importancia de tomar estas decisiones de diseño teniendo en cuenta los requisitos del programa. Observaron que la elección del proveedor para el conjunto de puertas visibles por software puede influir tanto en el número de operaciones necesarias para ejecutar un programa como en la tasa de corrección. Cuando el proveedor expone las operaciones nativas o fundamentales, TriQ puede reducir significativamente la cantidad de operaciones nativas necesarias para realizar un conjunto de instrucciones de programa, y aumentar la tasa de corrección. Esto sugiere que en las computadoras cuánticas, Es prematuro proteger todo el conocimiento de las instrucciones nativas a través de un dispositivo o ISA independiente del proveedor de una manera similar a los sistemas clásicos.

"También descubrimos que la coincidencia entre los requisitos de comunicación de la aplicación y la topología de conectividad del hardware es crucial. Cuando el hardware puede admitir una aplicación con solo una pequeña cantidad de operaciones de comunicación, la aplicación suele tener mayores posibilidades de ejecutarse correctamente. Cuando hay un desajuste, y se requieren muchas operaciones de comunicación, las tasas de corrección de la aplicación sufren, "dijo Murali.

Con sus herramientas de software de código abierto ahora disponibles en github, el trabajo en este documento tiene el potencial de ofrecer mejoras significativas en el mundo real en la compilación de software de control de calidad, al mismo tiempo que ofrece la oportunidad de obtener información más amplia sobre los enfoques de diseño más efectivos para el hardware de control de calidad.