Uma nova técnica de pesquisadores da Universidade de Princeton, A Universidade de Chicago e a IBM aumentam significativamente a confiabilidade dos computadores quânticos, aproveitando os dados sobre o ruído das operações em hardware real. Em um artigo apresentado esta semana, pesquisadores descrevem um novo método de compilação que aumenta a capacidade de computadores quânticos com recursos limitados e "barulhentos" de produzir respostas úteis. Notavelmente, os pesquisadores demonstraram uma melhoria de quase três vezes a média na confiabilidade para execuções de sistemas reais no computador quântico de 16 qubit da IBM, melhorando a execução de alguns programas em até dezoito vezes.

O grupo de pesquisa conjunta inclui 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 entre aplicativos e programas quânticos teóricos para arquiteturas de computação quântica práticas em dispositivos de curto prazo. Os pesquisadores do EPiQC fizeram parceria com especialistas em computação quântica da IBM para este estudo, que será apresentado na 24ª Conferência Internacional ACM sobre Suporte Arquitetônico para Linguagens de Programação e Sistemas Operacionais (ASPLOS) conferência em Providence, Rhode Island em 17 de abril.

Adaptando programas para ruído qubit

Os computadores quânticos são compostos de qubits (bits quânticos) dotados de propriedades especiais da mecânica quântica. Essas propriedades especiais (superposição e emaranhamento) permitem que o computador quântico represente um espaço muito grande de possibilidades e as penteie em busca da resposta certa, encontrar soluções muito mais rápido do que os computadores clássicos.

Contudo, os computadores quânticos de hoje e dos próximos 5-10 anos são limitados por operações ruidosas, onde as operações de porta de computação quântica produzem imprecisões e erros. Ao executar um programa, esses erros se acumulam e podem levar a respostas erradas.

Para compensar esses erros, os usuários executam programas quânticos milhares de vezes e selecionam a resposta mais frequente como a resposta correta. A frequência dessa resposta é chamada de taxa de sucesso do programa. Em um computador quântico ideal, essa taxa de sucesso seria de 100% - cada execução no hardware produziria a mesma resposta. Contudo, na prática, as taxas de sucesso são muito menores do que 100% devido a operações ruidosas.

Os pesquisadores observaram que em hardware real, como o sistema IBM de 16 qubit, as taxas de erro de operações quânticas têm variações muito grandes entre os diferentes recursos de hardware (qubits / portas) no sistema. Essas taxas de erro também podem variar de um dia para o outro. Os pesquisadores descobriram que as taxas de erro de operação podem ter até 9 vezes mais variação, dependendo da hora e do local da operação. Quando um programa é executado nesta máquina, os qubits de hardware escolhidos para a execução determinam a taxa de sucesso.

"Se quisermos executar um programa hoje, e nosso compilador escolhe uma porta de hardware (operação) que tem baixa taxa de erro, a taxa de sucesso do programa cai drasticamente, "disse o pesquisador Prakash Murali, um estudante de graduação na Universidade de Princeton. "Em vez de, se compilarmos com consciência desse ruído e executarmos nossos programas usando os melhores qubits e operações no hardware, podemos aumentar significativamente a taxa de sucesso. "

Para explorar esta ideia de adaptar a execução do programa ao ruído do hardware, os pesquisadores desenvolveram um compilador "adaptável a ruído" que utiliza dados detalhados de caracterização de ruído para o hardware alvo. Esses dados de ruído são medidos rotineiramente para sistemas quânticos IBM como parte da calibração de operação diária e incluem as taxas de erro para cada tipo de operação capaz no hardware. Aproveitando esses dados, o compilador mapeia qubits de programa para qubits de hardware que têm baixas taxas de erro e agenda portas rapidamente para reduzir as chances de decadência de estado por decoerência. Além disso, também minimiza o número de operações de comunicação e as executa usando operações de hardware confiáveis.

Melhorar a qualidade das execuções em um sistema quântico real

Para demonstrar o impacto desta abordagem, os pesquisadores compilaram e executaram um conjunto de programas de benchmark no computador quântico IBM de 16 qubit, comparando a taxa de sucesso de seu novo compilador adaptável a ruído com as execuções do compilador Qiskit da IBM, o compilador padrão para esta máquina. Entre benchmarks, eles observaram uma melhora média de quase três vezes na taxa de sucesso, com melhorias de até dezoito vezes em alguns programas. Em vários casos, O compilador da IBM produziu respostas erradas para as execuções devido ao seu desconhecimento de ruído, enquanto o compilador adaptável a ruído produziu respostas corretas com altas taxas de sucesso.

Embora os métodos da equipe tenham sido demonstrados na máquina de 16 qubit, espera-se que todos os sistemas quânticos nos próximos 5-10 anos tenham operações ruidosas devido às dificuldades em realizar portas precisas, defeitos causados ​​pela fabricação litográfica, flutuações de temperatura, e outras fontes. A adaptabilidade ao ruído será crucial para aproveitar o poder computacional desses sistemas e preparar o caminho para a computação quântica em grande escala.

"Quando executamos programas em grande escala, queremos que as taxas de sucesso sejam altas para poder distinguir a resposta certa do ruído e também para reduzir o número de execuções repetidas necessárias para obter a resposta, "enfatizou Murali." Nossa avaliação demonstra claramente que a adaptabilidade ao ruído é crucial para atingir todo o potencial dos sistemas quânticos. "

O artigo completo da equipe, "Noise-Adaptive Compiler Mappings for Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers" está agora publicado no arXiv e será apresentado na 24ª Conferência Internacional ACM sobre Suporte Arquitetônico para Linguagens de Programação e Sistemas Operacionais (ASPLOS) em Providence, Rhode Island em 17 de abril.