p Um estudo recente liderado por pesquisadores da Universidade de Princeton, em colaboração com a Universidade de Maryland e a IBM, explorou o projeto arquitetônico de computadores quânticos (QC). Em um artigo apresentado no Simpósio Internacional de Arquitetura de Computadores ACM / IEEE 2019, os pesquisadores realizaram a maior avaliação do sistema real de computadores quânticos até hoje, usando sete computadores quânticos da IBM, Rigetti e a Universidade de Maryland. p Os pesquisadores desenvolveram um novo software para compilar de aplicativos de CQ a protótipos de hardware; em hardware de CQ de estágio inicial sujeito a erros, este compilador oferece uma melhoria de até 28 vezes nas taxas de correção do programa em comparação com os compiladores da indústria. O estudo enfatiza a importância de um design cuidadoso do conjunto de instruções, ricas topologias de conectividade e a necessidade de co-projetar aplicativos e hardware para obter o melhor desempenho de sistemas de controle de qualidade incipientes.

p Tecnologias de computação quântica amplamente diferentes

p A computação quântica é um paradigma fundamentalmente novo de computação com aplicações promissoras no design de medicamentos, projeto de fertilizante, inteligência artificial e processamento seguro de informações, entre outras coisas. Desde o seu início na década de 1980 como um esforço puramente teórico, a computação quântica agora progrediu a ponto de pequenos sistemas protótipos estarem disponíveis para experimentos. Empresas como IBM e Rigetti agora oferecem acesso gratuito a seus sistemas de cinco a 16 qubit na nuvem. Esses sistemas podem ser programados usando sequências de instruções, também conhecido como operações ou portas.

p Análogo aos primeiros dias da computação clássica envolvendo sistemas construídos com tubos de vácuo, circuitos de relé ou transistores, Os sistemas de CQ hoje podem ser construídos a partir de várias tecnologias de hardware. As tecnologias de vanguarda incluem qubits supercondutores e os qubits de íons presos, com outras tecnologias candidatas também de considerável interesse. Contudo, ao contrário dos computadores binários clássicos, As tecnologias de controle de qualidade são tão diferentes que até mesmo as operações de porta fundamentais que podem ser realizadas em um único qubit diferem amplamente. Selecionar as operações de porta mais adequadas a serem expostas para uso do software é uma decisão importante do projeto de CQ.

p Os sistemas de CQ atuais também diferem em termos de confiabilidade das operações entre pares de qubits. Por exemplo, em qubits supercondutores, como os da IBM e Rigetti, os qubits são impressos em um wafer 2-D usando um método semelhante à fabricação de processador clássico. Nestes sistemas, operações inter-qubit são permitidas apenas entre qubits próximos uns dos outros e conectados por fios especiais. Esta abordagem de fabricação impõe limitações em como diferentes qubits podem se comunicar, a saber, permitir que cada qubit no sistema interaja diretamente com apenas alguns outros qubits vizinhos. Em contraste, para os qubits de íons presos em UMD, as operações inter-qubit são realizadas usando o movimento vibracional de uma cadeia de íons. Como essa abordagem não usa conexões físicas na forma de fios, ele permite operações inter-qubit entre qualquer par de qubits no sistema. Este modelo de comunicação mais amplo pode ser útil para alguns algoritmos de CQ.

p Uma terceira característica digna de nota é que em todas essas tecnologias candidatas, o estado quântico é muito difícil de manipular com precisão. Isso leva a taxas de erro operacional. Além disso, a magnitude desses erros varia significativamente, tanto entre os qubits no sistema quanto ao longo do tempo. Como resultado, essas grandes variações de ruído mudam a confiabilidade das operações em até um fator de 10. Uma vez que os algoritmos de CQ encadeiam várias dessas operações juntas, as taxas de erro por operação aumentam para dificultar que o programa obtenha a resposta certa em geral.

p Arquitetura para computadores quânticos

p As diferenças dramáticas entre as diferentes implementações de CQ estimularam os pesquisadores a projetar interfaces de programação que protegem o programador dos detalhes de implementação e das taxas de erro dos qubits. Essa interface, comumente conhecido como arquitetura de conjunto de instruções (ISA), serve como base dos sistemas de computação modernos.

p O ISA inclui um conjunto de instruções que podem ser executadas no hardware e serve como um contrato entre a implementação do hardware e o software. Contanto que o programa use operações permitidas pelo ISA, pode ser executado sem modificações em qualquer hardware, que também implementa o mesmo ISA, independentemente de quaisquer diferenças entre as implementações de hardware.

p Os fornecedores de CQ tomam várias decisões de design sobre o ISA e a conectividade dos qubits. Cada fornecedor escolhe fornecer um conjunto de portas visíveis por software que mascaram os detalhes específicos das implementações de portas. Essas portas normalmente não são iguais às operações fundamentais, e são comumente escolhidos para serem operações freqüentemente usadas por projetistas e programadores de algoritmos quânticos.

p "Quais portas um fornecedor deve escolher para expor ao hardware? Devemos abstrair essas portas em um ISA comum entre os fornecedores ou adaptá-las às características subjacentes do dispositivo?" pergunta Prakash Murali, um estudante de graduação em Princeton e um autor do estudo. De forma similar, a escolha de conectividade qubit, embora influenciado pela tecnologia de hardware, determina quais operações inter-qubit um programa pode usar. "Como o fornecedor deve interconectar seus qubits? Como a interação das taxas de ruído variáveis ​​e a conectividade influenciam os programas?" diz Murali.

p Insights de design para arquitetura quântica de computadores

p Para responder a essas perguntas de design, os pesquisadores avaliaram a arquitetura de sete sistemas de três fornecedores, IBM, Rigetti e UMD, com diferentes topologias de conectividade, abrangendo duas tecnologias de qubit de hardware. Uma vez que os computadores quânticos são barulhentos, é prática padrão no campo executar programas vários milhares de vezes e relatar a resposta que ocorre com mais frequência como resposta correta. Para aumentar a probabilidade de execuções corretas, este trabalho desenvolveu TriQ, um compilador de otimização de vários fornecedores que supera os compiladores de fornecedores por margens significativas, apesar da aplicabilidade de plataforma cruzada.

p Usando TriQ, os pesquisadores mostraram que as escolhas de projeto arquitetônico de um sistema podem influenciar significativamente a taxa de correção de execuções do programa, ressaltando a importância de fazer essas escolhas de design com os requisitos do programa em mente. Eles observaram que a escolha do fornecedor para o conjunto de portas visíveis por software pode influenciar o número de operações necessárias para executar um programa e a taxa de correção. Quando o fornecedor expõe as operações nativas ou fundamentais, TriQ pode reduzir significativamente o número de operações nativas necessárias para executar um conjunto de instruções do programa, e aumentar a taxa de correção. Isso sugere que em computadores quânticos, é prematuro proteger todo o conhecimento das instruções nativas por meio de um dispositivo ou ISA independente do fornecedor de maneira semelhante aos sistemas clássicos.

p "Também descobrimos que a correspondência entre os requisitos de comunicação do aplicativo e a topologia de conectividade do hardware é crucial. Quando o hardware pode suportar um aplicativo com apenas um pequeno número de operações de comunicação, o aplicativo geralmente tem maiores chances de ser executado corretamente. Quando há uma incompatibilidade, e muitas operações de comunicação são necessárias, as taxas de correção do aplicativo sofrem, "disse Murali.

p Com suas ferramentas de software de código aberto agora disponíveis no github, o trabalho neste artigo tem o potencial de oferecer melhorias significativas do mundo real na compilação de software de controle de qualidade, ao mesmo tempo que oferece a oportunidade de percepções mais amplas sobre as abordagens de design mais eficazes para hardware de controle de qualidade.