Um novo artigo de pesquisadores da Universidade de Chicago apresenta uma técnica para compilar instruções quânticas altamente otimizadas que podem ser executadas em hardware de curto prazo. Esta técnica é particularmente adequada para uma nova classe de algoritmos quânticos variacionais, que são candidatos promissores para demonstrar acelerações quânticas úteis. O novo trabalho foi possibilitado pela união de ideias na pilha, abrangendo algoritmos quânticos, aprendizado de máquina, compiladores, e física do dispositivo. A pesquisa interdisciplinar foi realizada por membros da colaboração EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), uma expedição da NSF em computação.

Adaptando-se a um novo paradigma para algoritmos quânticos

A visão original para algoritmos quânticos data do início de 1980, quando o físico Richard Feynman propôs realizar simulações moleculares usando apenas milhares de qubits sem ruído (bits quânticos), uma tarefa praticamente impossível para computadores tradicionais. Outros algoritmos desenvolvidos nas décadas de 1990 e 2000 demonstraram que milhares de qubits sem ruído também ofereceriam acelerações dramáticas para problemas como pesquisa de banco de dados, fatoração de inteiros, e álgebra matricial. Contudo, apesar dos avanços recentes em hardware quântico, esses algoritmos ainda estão a décadas de realizações escalonáveis, porque o hardware atual possui qubits ruidosos.

Para corresponder às restrições dos computadores quânticos atuais e de curto prazo, um novo paradigma para algoritmos quânticos variacionais surgiu recentemente. Esses algoritmos enfrentam desafios computacionais semelhantes aos algoritmos quânticos originalmente concebidos, mas crie resiliência ao ruído, deixando certos parâmetros internos do programa não especificados. Em vez de, esses parâmetros internos são aprendidos por variação ao longo de tentativas repetidas, guiado por um otimizador. Com um otimizador robusto, um algoritmo variacional pode tolerar níveis moderados de ruído.

Embora a resiliência a ruído de algoritmos variacionais seja atraente, representa um desafio para a compilação, o processo de traduzir um algoritmo matemático em instruções físicas executadas por hardware.

"O trade-off entre algoritmos quânticos variacionais e tradicionais é que, embora as abordagens variacionais sejam baratas no que diz respeito ao número de portas, eles são caros no número de repetições necessárias, '' disse Fred Chong, o Seymour Goodman Professor de Ciência da Computação na UChicago e líder PI para EPiQC. "Considerando que os algoritmos quânticos tradicionais são totalmente especificados no tempo de execução e, portanto, pré-execução totalmente otimizável, os programas variacionais são especificados apenas parcialmente no momento da execução. "

Compilação Parcial

Os pesquisadores abordam a questão dos programas parcialmente especificados com uma técnica paralela chamada compilação parcial. Pranav Gokhale, um aluno de doutorado da UChicago explica, "Embora não possamos compilar totalmente um algoritmo variacional antes da execução, podemos pelo menos pré-compilar as partes especificadas. "Para algoritmos variacionais típicos, esta simples heurística por si só é suficiente, entregando acelerações 2x em tempo de execução quântico em relação às técnicas de compilação baseadas em gate padrão. Como os qubits decaem exponencialmente com o tempo, essa aceleração do tempo de execução também leva a reduções nas taxas de erro.

Para algoritmos mais complicados, os pesquisadores aplicam uma segunda camada de otimizações que caracterizam numericamente as variações devido aos parâmetros não especificados, por meio de um processo denominado otimização de hiperparâmetros. "Gastar alguns minutos no ajuste de hiperparâmetros e na compilação parcial leva a horas de economia no tempo de execução", resume Gokhale. O professor Chong observa que este tema de realizar economias de custo deslocando recursos - seja entre a computação tradicional e quântica ou entre a compilação e a execução - ecoa em vários outros projetos EPiQC.

Os pesquisadores pretendem, a seguir, demonstrar seu trabalho experimentalmente. Essa validação experimental se tornou possível apenas recentemente, com o lançamento de computadores quânticos acessíveis em nuvem que podem ser controlados no nível de pulsos analógicos. Este nível de controle é muito mais próximo do hardware do que o controle baseado em porta padrão, e os pesquisadores esperam obter maiores ganhos de eficiência com essa interface de pulso.

O artigo dos pesquisadores, "Compilação parcial de algoritmos variacionais para máquinas quânticas de escala intermediária com ruído" (arXiv link) será apresentado na conferência de arquitetura de computador MICRO em Columbus, Ohio em 14 de outubro. Os co-autores de Gokhale e Chong incluem Yongshan Ding, Thomas Propson, Christopher Winkler, Nelson Leung, Yunong Shi, David I. Schuster, e Henry Hoffmann, todos também da Universidade de Chicago.