Uma nova descoberta de pesquisadores da Universidade de Chicago promete melhorar a velocidade e a confiabilidade dos computadores quânticos atuais e da próxima geração em até dez vezes. Combinando princípios da física e da ciência da computação, os pesquisadores desenvolveram um novo compilador escalável que torna o software ciente do hardware quântico subjacente, oferecendo benefícios de desempenho significativos enquanto os cientistas correm para construir os primeiros computadores quânticos práticos.

O grupo de pesquisa UChicago compreende cientistas da computação e físicos da colaboração EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), uma Expedição NSF em Computação que começou em 2018. EPiQC visa preencher a lacuna de algoritmos teóricos existentes para arquiteturas de computação quântica práticas em dispositivos de curto prazo.

Mesclando abordagens da ciência da computação e da física

A técnica central por trás do artigo da equipe EPiQC adapta o controle quântico ideal, uma abordagem desenvolvida por físicos muito antes da computação quântica ser possível. O controle quântico ótimo ajusta os botões de controle dos sistemas quânticos para conduzir continuamente as partículas aos estados quânticos desejados - ou em um contexto de computação, implementar um programa desejado.

Se adaptado com sucesso, o controle ótimo quântico permitiria aos computadores quânticos executar programas com a maior eficiência possível ... mas isso vem com uma compensação de desempenho.

"Os físicos têm usado o controle quântico ótimo para manipular pequenos sistemas por muitos anos, mas o problema é que a abordagem deles não escala, "disse o pesquisador Yunong Shi.

Mesmo com hardware de ponta, leva várias horas para executar o controle quântico ideal direcionado a uma máquina com apenas 10 bits quânticos (qubits). Além disso, este tempo de execução escala exponencialmente, o que torna o controle quântico ideal insustentável para as máquinas de 20-100 qubit esperadas no próximo ano.

Enquanto isso, cientistas da computação desenvolveram seus próprios métodos para compilar programas quânticos até os botões de controle do hardware quântico. A abordagem da ciência da computação tem a vantagem da escalabilidade - os compiladores podem facilmente compilar programas para máquinas com milhares de qubits. Contudo, esses compiladores praticamente desconhecem o hardware quântico subjacente. Muitas vezes, existe uma grave incompatibilidade entre as operações quânticas com que o software lida e as que o hardware executa. Como resultado, os programas compilados são ineficientes.

O trabalho da equipe do EPiQC mescla as abordagens da ciência da computação e da física, dividindo de forma inteligente grandes programas quânticos em subprogramas. Cada subprograma é pequeno o suficiente para que possa ser tratado pela abordagem da física do controle ótimo quântico, sem ter problemas de desempenho. Essa abordagem realiza tanto a escalabilidade em nível de programa de compiladores tradicionais do mundo da ciência da computação quanto os ganhos de eficiência em nível de subprograma do controle quântico ótimo.

A geração inteligente de subprogramas é conduzida por um algoritmo para explorar a comutatividade - um fenômeno no qual as operações quânticas podem ser reorganizadas em qualquer ordem. Em uma ampla gama de algoritmos quânticos, relevantes a curto e longo prazo, o compilador da equipe EPiQC atinge acelerações de execução de duas a dez vezes em relação à linha de base. Mas devido à fragilidade dos qubits, as acelerações na execução do programa quântico se traduzem em taxas de sucesso exponencialmente mais altas para a computação final. Como Shi enfatiza, "em computadores quânticos, acelerar o tempo de execução é fazer ou morrer. "

Quebrando barreiras de abstração

Esta nova técnica de compilador é uma partida significativa do trabalho anterior. "Compiladores anteriores para programas quânticos foram modelados a partir de compiladores para computadores convencionais modernos, "disse Fred Chong, Seymour Goodman Professor de Ciência da Computação na UChicago e líder PI para EPiQC. Mas, ao contrário dos computadores convencionais, computadores quânticos são notoriamente frágeis e barulhentos, portanto, as técnicas otimizadas para computadores convencionais não se adaptam bem aos computadores quânticos. "Nosso novo compilador é diferente do conjunto anterior de compiladores de inspiração clássica porque quebra a barreira de abstração entre algoritmos quânticos e hardware quântico, o que leva a uma maior eficiência ao custo de ter um compilador mais complexo. "

Enquanto a pesquisa da equipe gira em torno de tornar o software compilador ciente do hardware subjacente, é independente do tipo específico de hardware subjacente. Isso é importante, pois existem vários tipos diferentes de computadores quânticos atualmente em desenvolvimento, como aqueles com qubits supercondutores e qubits de íons presos.

A equipe espera ver realizações experimentais de sua abordagem nos próximos meses, particularmente agora que um padrão aberto da indústria, OpenPulse, foi definido. Este padrão permitirá a operação de computadores quânticos no nível mais baixo possível, conforme necessário para técnicas de controle ótimo quântico. O roteiro quântico da IBM destaca o suporte OpenPulse como um objetivo principal para 2019, e outras empresas também devem anunciar planos semelhantes.

O artigo completo da equipe, "Compilação otimizada de instruções agregadas para computadores quânticos realistas" agora está publicado no arXiv e será apresentado na conferência de arquitetura de computador ASPLOS em Rhode Island em 17 de abril. Além de Shi e Chong, os co-autores incluem Nelson Leung, Pranav Gokhale, Zane Rossi, David I. Schuster, e Henry Hoffman, tudo na Universidade de Chicago.