Pesquisadores desenvolvem tecnologia de aceleração de compilador para computadores quânticos
Tempo de cálculo estimado ao realizar uma busca para otimizar a fidelidade F para cada arranjo de porta usando GRAPE para preparar o estado de n qubits. A linha azul sólida é o tempo desde o início do universo até o presente (13,7 bilhões de anos). Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT); RIKEN; Universidade de Ciências de Tóquio; Escola de Ciências da Universidade de Tóquio Os pesquisadores conseguiram desenvolver uma técnica para pesquisar rapidamente a sequência de portas quânticas ideal para um computador quântico usando um método probabilístico.
Para fazer um computador quântico executar uma tarefa, ele deve usar um compilador para converter instruções escritas em uma linguagem de programação em uma sequência de operações de porta em bits quânticos, ou qubits, para abreviar. Anteriormente, eles aplicaram a teoria de controle ideal (algoritmo GRAPE) a uma busca exaustiva para desenvolver um método para identificar a sequência de portas teoricamente ideal, mas à medida que o número de qubits aumenta, o número de combinações possíveis aumenta.
À medida que o número aumenta explosivamente, uma busca exaustiva torna-se impossível. Por exemplo, se realizássemos uma pesquisa exaustiva para encontrar a sequência de portas ideal para a tarefa de gerar um estado quântico arbitrário de 6 qubits, levaria mais tempo do que a idade do universo usando o computador clássico mais rápido disponível atualmente.
Portanto, os pesquisadores tentaram desenvolver um método para procurar a sequência de portas quânticas ideal usando uma abordagem probabilística e tiveram sucesso. Usando o supercomputador Fugaku, foi confirmado e demonstrado que usando um novo método probabilístico de busca aleatória, é possível buscar a sequência de portas quânticas ideal para o problema acima em poucas horas.
Espera-se que este novo método acelere os compiladores de computadores quânticos, torne-se uma ferramenta útil para computadores quânticos práticos e leve a um melhor desempenho dos dispositivos de computadores quânticos. Também pode ser aplicado para otimizar o processamento de informações quânticas em nós de retransmissão quântica, por isso espera-se que contribua para a realização da Internet quântica e a redução do impacto ambiental.
Este resultado foi publicado na revista Physical Review A em 6 de maio de 2024.
Espera-se que os computadores quânticos, atualmente em desenvolvimento, tenham um grande impacto na sociedade. Seus benefícios incluem a redução da carga ambiental, reduzindo o consumo de energia, encontrando novas substâncias químicas para uso médico, acelerando a busca por materiais para um ambiente mais limpo, etc. Um dos grandes problemas dos computadores quânticos é que o estado quântico é muito sensível ao ruído. , por isso é difícil mantê-lo estável por um longo tempo (mantendo um estado quântico coerente).
Para melhor desempenho, as operações devem ocorrer dentro de um tempo que permita que o estado quântico permaneça coerente. No entanto, além do caso especial em que o número de qubits é muito pequeno, nenhum bom método é conhecido para encontrar a sequência de portas quânticas ideal.
Aguardava-se uma solução que evitasse a dificuldade do aumento explosivo no número de sequências de portas possíveis mesmo em computações quânticas de grande escala e permitisse buscas eficientes dentro do tempo e dos recursos computacionais que podem ser realizadas em computadores clássicos.
A equipe de pesquisa introduziu um método probabilístico para desenvolver um método sistemático que possa pesquisar com eficiência a sequência de portas quânticas ideal dentro do tempo de execução e dos recursos computacionais.
Quando um computador armazena e processa informações, todas as informações são convertidas em uma sequência de bits com valores de 0 ou 1. Uma sequência de porta quântica é um programa de computador escrito em uma linguagem legível por humanos após ter sido convertido para que possa ser processado por um computador quântico. A sequência de portas quânticas consiste em portas de 1 qubit e portas de 2 qubits. A melhor sequência é aquela que tem menos portas e apresenta o melhor desempenho.
Seu estudo mostra o tempo de cálculo estimado quando uma busca é realizada para otimizar a fidelidade F no computador clássico mais rápido para cada arranjo de porta usando o algoritmo da teoria de controle ideal GRAPE para preparar n estados de qubit. A linha azul sólida é a chamada idade do universo (13,7 bilhões de anos). À medida que o número de qubits aumenta, o número de combinações possíveis aumenta explosivamente, portanto, em n=6, o tempo total de cálculo excede a idade do universo.
A análise de todas as sequências possíveis para pequenos números de qubits revela que existem muitas sequências de portas quânticas ideais. Isto sugere a possibilidade de expansão para grandes tarefas quânticas e encontrar a sequência de portas quânticas ideal usando um método de busca probabilística em vez de uma busca exaustiva.
Eles também mostram a taxa de aparecimento (p) de sequências com fidelidade F=1 para a preparação de um estado composto por n=8 qubits, que foi investigado utilizando o supercomputador Fugaku. A taxa p é expressa como uma função do número de portas CNOT (N) de 2 qubits na sequência. É claro que o método probabilístico é muito eficiente porque a taxa de ocorrência de F=1 aumenta rapidamente quando o limite inferior de N (N=124) é excedido.
Por exemplo, a taxa de aparecimento de F=1 em N=129, que é um pouco acima de N=124, é superior a 50%, então se você procurar um arranjo de portas duas vezes, encontrará uma sequência quântica que tem F=1 pelo menos uma vez em média. Desta forma, descobriu-se que, usando um método probabilístico, é possível procurar sequências de portas quânticas ótimas várias ordens de grandeza mais rapidamente do que quando se pesquisa usando um método de pesquisa exaustivo.
Espera-se que o método sistemático e probabilístico desenvolvido para fornecer sequências de portas quânticas ideais para computadores quânticos se torne uma ferramenta útil para computadores quânticos práticos e acelere os compiladores de computadores quânticos. Espera-se que melhore o desempenho dos dispositivos de computação quântica e contribua para o desenvolvimento de nós quânticos na Internet quântica e para a redução da carga ambiental.
No futuro, a equipe de pesquisa irá integrar os resultados obtidos neste estudo com abordagens de aprendizado de máquina e aplicá-los para otimizar o desempenho de computadores quânticos, com o objetivo de acelerar ainda mais os compiladores quânticos e criar um banco de dados de sequências de portas quânticas ideais.
A equipe de pesquisa inclui o Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação, RIKEN, a Universidade de Ciência de Tóquio e a Universidade de Tóquio.
