Una nuova scoperta dei ricercatori dell'Università di Chicago promette di migliorare la velocità e l'affidabilità dei computer quantistici attuali e di prossima generazione fino a dieci volte. Combinando i principi della fisica e dell'informatica, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo compilatore scalabile che rende il software consapevole dell'hardware quantistico sottostante, offrendo significativi vantaggi in termini di prestazioni mentre gli scienziati corrono per costruire i primi computer quantistici pratici.
Il gruppo di ricerca di UChicago comprende scienziati informatici e fisici della collaborazione EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation), una spedizione NSF in Computing iniziata nel 2018. EPiQC mira a colmare il divario dagli algoritmi teorici esistenti alle pratiche architetture di calcolo quantistico su dispositivi a breve termine.
Approcci di fusione tra informatica e fisica
La tecnica principale alla base del documento del team EPiQC adatta il controllo quantistico ottimale, un approccio sviluppato dai fisici molto prima che fosse possibile il calcolo quantistico. Il controllo ottimale quantistico mette a punto le manopole di controllo dei sistemi quantistici per guidare continuamente le particelle agli stati quantistici desiderati o in un contesto informatico, implementare un programma desiderato.
Se adattato con successo, il controllo quantistico ottimale consentirebbe ai computer quantistici di eseguire programmi con la massima efficienza possibile... ma ciò comporta un compromesso in termini di prestazioni.
"I fisici hanno effettivamente utilizzato il controllo quantistico ottimale per manipolare piccoli sistemi per molti anni, ma il problema è che il loro approccio non è scalabile, ", ha affermato il ricercatore Yunong Shi.
Anche con hardware all'avanguardia, sono necessarie diverse ore per eseguire il controllo quantistico ottimale mirato a una macchina con solo 10 bit quantistici (qubit). Inoltre, questo tempo di esecuzione scala in modo esponenziale, il che rende il controllo quantistico ottimale insostenibile per le macchine da 20-100 qubit previste per il prossimo anno.
Nel frattempo, gli scienziati informatici hanno sviluppato i propri metodi per compilare programmi quantistici fino alle manopole di controllo dell'hardware quantistico. L'approccio informatico ha il vantaggio della scalabilità:i compilatori possono facilmente compilare programmi per macchine con migliaia di qubit. Però, questi compilatori sono in gran parte inconsapevoli dell'hardware quantistico sottostante. Spesso, esiste una grave discrepanza tra le operazioni quantistiche gestite dal software rispetto a quelle eseguite dall'hardware. Di conseguenza, i programmi compilati sono inefficienti.
Il lavoro del team EPiQC fonde gli approcci di informatica e fisica suddividendo in modo intelligente grandi programmi quantistici in sottoprogrammi. Ogni sottoprogramma è abbastanza piccolo da poter essere gestito dall'approccio fisico del controllo quantistico ottimale, senza incorrere in problemi di prestazioni. Questo approccio realizza sia la scalabilità a livello di programma dei compilatori tradizionali del mondo dell'informatica sia i guadagni di efficienza a livello di sottoprogramma del controllo ottimale quantistico.
La generazione intelligente di sottoprogrammi è guidata da un algoritmo per sfruttare la commutatività, un fenomeno in cui le operazioni quantistiche possono essere riorganizzate in qualsiasi ordine. Attraverso una vasta gamma di algoritmi quantistici, rilevante sia a breve che a lungo termine, il compilatore del team EPiQC raggiunge velocità di esecuzione da due a dieci volte superiori alla linea di base. Ma a causa della fragilità dei qubit, le accelerazioni nell'esecuzione dei programmi quantistici si traducono in tassi di successo esponenzialmente più alti per il calcolo finale. Come sottolinea Shi, "su computer quantistici, accelerare i tempi di esecuzione è cosa fai o muori."
Rompere le barriere dell'astrazione
Questa nuova tecnica di compilazione è un significativo allontanamento dal lavoro precedente. "I compilatori del passato per i programmi quantistici sono stati modellati sui compilatori per i moderni computer convenzionali, " ha detto Fred Chong, Seymour Goodman Professore di Informatica presso UChicago e responsabile PI per EPiQC. Ma a differenza dei computer convenzionali, i computer quantistici sono notoriamente fragili e rumorosi, quindi le tecniche ottimizzate per i computer convenzionali non si adattano bene ai computer quantistici. "Il nostro nuovo compilatore è diverso dal precedente set di compilatori di ispirazione classica perché rompe la barriera di astrazione tra algoritmi quantistici e hardware quantistico, il che porta a una maggiore efficienza al costo di avere un compilatore più complesso."
Mentre la ricerca del team ruota attorno a rendere il software del compilatore consapevole dell'hardware sottostante, è indipendente dal tipo specifico di hardware sottostante. Questo è importante poiché ci sono diversi tipi di computer quantistici attualmente in fase di sviluppo, come quelli con qubit superconduttori e qubit di ioni intrappolati.
Il team prevede di vedere realizzazioni sperimentali del loro approccio nei prossimi mesi, soprattutto ora che uno standard industriale aperto, OpenPulse, è stato definito. Questo standard consentirà il funzionamento dei computer quantistici al livello più basso possibile, come necessario per le tecniche di controllo ottimale quantistico. La roadmap quantistica di IBM evidenzia il supporto di OpenPulse come obiettivo chiave per il 2019, e anche altre società dovrebbero annunciare piani simili.
Il documento completo della squadra, La "Compilazione ottimizzata di istruzioni aggregate per computer quantistici realistici" è ora pubblicata su arXiv e sarà presentata alla conferenza sull'architettura dei computer ASPLOS a Rhode Island il 17 aprile. Oltre a Shi e Chong, coautori includono Nelson Leung, Pranav Gokhale, Zane Rossi, David I. Schuster, e Henry Hoffmann, tutti all'Università di Chicago.
