Una nuova tecnica dei ricercatori della Princeton University, L'Università di Chicago e IBM migliorano significativamente l'affidabilità dei computer quantistici sfruttando i dati sulla rumorosità delle operazioni su hardware reale. In un documento presentato questa settimana, i ricercatori descrivono un nuovo metodo di compilazione che aumenta la capacità dei computer quantistici con risorse limitate e "rumorosi" di produrre risposte utili. In particolare, i ricercatori hanno dimostrato un miglioramento di quasi tre volte la media dell'affidabilità per le esecuzioni del sistema reale sul computer quantistico a 16 qubit di IBM, migliorando alcune esecuzioni di programmi fino a diciotto volte.

Il gruppo di ricerca congiunto 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 tra applicazioni e programmi quantistici teorici a pratiche architetture di calcolo quantistico su dispositivi a breve termine. I ricercatori di EPiQC hanno collaborato con esperti di informatica quantistica di IBM per questo studio, che sarà presentato alla 24a conferenza ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) a Providence, Rhode Island il 17 aprile.

Adattamento dei programmi al rumore di qubit

I computer quantistici sono composti da qubit (bit quantistici) dotati di proprietà speciali della meccanica quantistica. Queste proprietà speciali (sovrapposizione ed entanglement) consentono al computer quantistico di rappresentare uno spazio molto ampio di possibilità e di esaminarle alla ricerca della risposta giusta, trovare soluzioni molto più velocemente dei computer classici.

Però, i computer quantistici di oggi e dei prossimi 5-10 anni sono limitati da operazioni rumorose, dove le operazioni del gate di calcolo quantistico producono imprecisioni ed errori. Durante l'esecuzione di un programma, questi errori si accumulano e potenzialmente portano a risposte sbagliate.

Per compensare questi errori, gli utenti eseguono programmi quantistici migliaia di volte e selezionano la risposta più frequente come risposta corretta. La frequenza di questa risposta è chiamata tasso di successo del programma. In un computer quantistico ideale, questa percentuale di successo sarebbe del 100%:ogni esecuzione sull'hardware produrrebbe la stessa risposta. Però, in pratica, le percentuali di successo sono molto inferiori al 100% a causa delle operazioni rumorose.

I ricercatori hanno osservato che su hardware reale, come il sistema IBM a 16 qubit, i tassi di errore delle operazioni quantistiche hanno variazioni molto grandi tra le diverse risorse hardware (qubit/gate) nel sistema. Questi tassi di errore possono anche variare da un giorno all'altro. I ricercatori hanno scoperto che i tassi di errore dell'operazione possono variare fino a 9 volte di più a seconda dell'ora e del luogo dell'operazione. Quando un programma viene eseguito su questa macchina, i qubit hardware scelti per l'esecuzione determinano la percentuale di successo.

"Se vogliamo eseguire un programma oggi, e il nostro compilatore sceglie un gate hardware (operazione) che ha un tasso di errore scarso, il tasso di successo del programma diminuisce drasticamente, " ha detto il ricercatore Prakash Murali, uno studente laureato alla Princeton University. "Anziché, se compiliamo con consapevolezza di questo rumore ed eseguiamo i nostri programmi utilizzando i migliori qubit e operazioni nell'hardware, possiamo aumentare significativamente il tasso di successo."

Per sfruttare questa idea di adattare l'esecuzione del programma al rumore hardware, i ricercatori hanno sviluppato un compilatore "adattativo al rumore" che utilizza dati dettagliati di caratterizzazione del rumore per l'hardware di destinazione. Tali dati sul rumore vengono misurati di routine per i sistemi quantistici IBM come parte della calibrazione quotidiana delle operazioni e includono i tassi di errore per ogni tipo di operazione disponibile sull'hardware. Sfruttando questi dati, il compilatore mappa i qubit del programma sui qubit hardware che hanno bassi tassi di errore e pianifica rapidamente le porte per ridurre le possibilità di decadimento dello stato dovuto alla decoerenza. Inoltre, inoltre riduce al minimo il numero di operazioni di comunicazione e le esegue utilizzando operazioni hardware affidabili.

Migliorare la qualità delle corse su un vero sistema quantistico

Per dimostrare l'impatto di questo approccio, i ricercatori hanno compilato ed eseguito una serie di programmi di riferimento sul computer quantistico IBM a 16 qubit, confrontando il tasso di successo del loro nuovo compilatore adattivo al rumore con le esecuzioni del compilatore Qiskit di IBM, il compilatore predefinito per questa macchina. Attraverso i benchmark, hanno osservato un miglioramento medio di quasi tre volte nel tasso di successo, con miglioramenti fino a diciotto volte su alcuni programmi. In diversi casi, Il compilatore di IBM ha prodotto risposte errate per le esecuzioni a causa della sua inconsapevolezza del rumore, mentre il compilatore adattivo al rumore ha prodotto risposte corrette con alti tassi di successo.

Sebbene i metodi del team siano stati dimostrati sulla macchina a 16 qubit, si prevede che tutti i sistemi quantistici nei prossimi 5-10 anni avranno operazioni rumorose a causa delle difficoltà nell'esecuzione di porte precise, difetti causati dalla produzione litografica, sbalzi di temperatura, e altre fonti. L'adattamento al rumore sarà fondamentale per sfruttare la potenza di calcolo di questi sistemi e aprire la strada al calcolo quantistico su larga scala.

"Quando eseguiamo programmi su larga scala, vogliamo che le percentuali di successo siano elevate per poter distinguere la risposta giusta dal rumore e anche per ridurre il numero di ripetizioni necessarie per ottenere la risposta, " ha sottolineato Murali. "La nostra valutazione dimostra chiaramente che l'adattamento al rumore è cruciale per raggiungere il pieno potenziale dei sistemi quantistici".

Il documento completo della squadra, "Noise-Adaptive Compiler Mappings for Noisy Intermediate-Scale Quantum Computers" è ora pubblicato su arXiv e sarà presentato alla 24a conferenza ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) a Providence, Rhode Island il 17 aprile.