Un recente studio condotto dai ricercatori dell'Università di Princeton, in collaborazione con l'Università del Maryland e IBM, ha esplorato la progettazione architettonica dei computer quantistici (QC). In un documento presentato all'ACM/IEEE International Symposium on Computer Architecture 2019, i ricercatori hanno eseguito la più grande valutazione del sistema reale di computer quantistici fino ad oggi, utilizzando sette computer quantistici di IBM, Rigetti e l'Università del Maryland.

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo software per compilare da applicazioni QC a prototipi hardware; su hardware QC in fase iniziale soggetto a errori, questo compilatore offre fino a 28 volte un miglioramento dei tassi di correttezza del programma rispetto ai compilatori del settore. Lo studio sottolinea l'importanza di un'attenta progettazione del set di istruzioni, ricche topologie di connettività e la necessità di co-progettare applicazioni e hardware per ottenere le migliori prestazioni dai nascenti sistemi di controllo qualità.

Tecnologie di calcolo quantistico ampiamente diverse

L'informatica quantistica è un paradigma di calcolo fondamentalmente nuovo con applicazioni promettenti nella progettazione di farmaci, progettazione di fertilizzanti, intelligenza artificiale e trattamento sicuro delle informazioni, tra l'altro. Dal suo inizio negli anni '80 come sforzo puramente teorico, L'informatica quantistica è ora progredita al punto che sono disponibili piccoli sistemi prototipo per gli esperimenti. Aziende come IBM e Rigetti ora offrono accesso gratuito ai loro sistemi da cinque a 16 qubit sul cloud. Questi sistemi possono essere programmati utilizzando sequenze di istruzioni, noto anche come operazioni o cancelli.

Analogamente ai primi giorni dell'informatica classica che coinvolgeva sistemi costruiti con circuiti di relè a tubi a vuoto o transistor, I sistemi di controllo qualità oggi possono essere costruiti con diverse tecnologie hardware. Le tecnologie all'avanguardia includono qubit superconduttori e qubit ionici intrappolati, con altre tecnologie candidate anch'esse di notevole interesse. Però, a differenza dei classici computer binari, Le tecnologie di controllo qualità sono così diverse che anche le operazioni di gate fondamentali che possono essere eseguite su un singolo qubit differiscono ampiamente. La selezione delle operazioni di gate più appropriate da esporre per l'uso del software è un'importante decisione di progettazione QC.

Gli attuali sistemi di controllo qualità differiscono anche in termini di affidabilità delle operazioni tra coppie di qubit. Per esempio, nei qubit superconduttori come quelli di IBM e Rigetti, i qubit vengono stampati su un wafer 2-D utilizzando un metodo simile alla fabbricazione del processore classico. In questi sistemi, le operazioni inter-qubit sono consentite solo tra qubit vicini tra loro e collegati da cavi speciali. Questo approccio di fabbricazione impone limitazioni al modo in cui i diversi qubit possono comunicare, vale a dire consentire a ciascun qubit nel sistema di interagire direttamente con solo pochi altri qubit vicini. In contrasto, per i qubit di ioni intrappolati in UMD, le operazioni inter-qubit vengono eseguite utilizzando il movimento vibrazionale di una catena di ioni. Poiché questo approccio non utilizza connessioni fisiche sotto forma di fili, consente operazioni inter-qubit tra qualsiasi coppia di qubit nel sistema. Questo modello di comunicazione più ampio può essere utile per alcuni algoritmi di controllo qualità.

Una terza caratteristica degna di nota è che in tutte queste tecnologie candidate, lo stato quantistico è molto difficile da manipolare con precisione. Questo porta a tassi di errore operativo. Inoltre, l'entità di questi errori varia in modo significativo, sia attraverso i qubit nel sistema che nel tempo. Di conseguenza, queste grandi variazioni di rumore modificano l'affidabilità delle operazioni fino a un fattore 10. Poiché gli algoritmi di controllo qualità concatenano molte di queste operazioni insieme, i tassi di errore per operazione aumentano per rendere difficile per il programma ottenere la risposta giusta nel complesso.

Architettura per computer quantistici

Le notevoli differenze tra le diverse implementazioni del controllo qualità hanno spinto i ricercatori a progettare interfacce di programmazione che proteggano il programmatore dai dettagli di implementazione e dai tassi di errore dei qubit. Una tale interfaccia, comunemente nota come architettura del set di istruzioni (ISA), funge da pietra angolare dei moderni sistemi informatici.

L'ISA include una serie di istruzioni che possono essere eseguite sull'hardware e funge da contratto tra l'implementazione dell'hardware e il software. Fintanto che il programma utilizza operazioni consentite dall'ISA, può essere eseguito senza modifiche su qualsiasi hardware, che implementa anche lo stesso ISA, indipendentemente da eventuali differenze tra le implementazioni hardware.

I fornitori di controllo qualità prendono una serie di decisioni di progettazione sull'ISA e sulla connettività dei qubit. Ciascun fornitore sceglie di fornire una serie di porte visibili dal software che mascherano i dettagli particolari delle implementazioni delle porte. Queste porte in genere non sono le stesse delle operazioni fondamentali, e sono comunemente scelte per essere operazioni frequentemente utilizzate da progettisti e programmatori di algoritmi quantistici.

"Quali porte un fornitore dovrebbe scegliere di esporre all'hardware? Dovremmo astrarre queste porte in un ISA comune tra i fornitori o adattarle alle caratteristiche del dispositivo sottostante?" chiede Prakash Murali, uno studente laureato a Princeton e un autore dello studio. Allo stesso modo, la scelta della connettività qubit, sebbene influenzato dalla tecnologia hardware, determina quali operazioni inter-qubit un programma può utilizzare. "In che modo il fornitore dovrebbe interconnettere i propri qubit? In che modo l'interazione tra tassi di rumore variabili e connettività influenza i programmi?" dice Murali.

Informazioni di progettazione per l'architettura dei computer quantistici

Per rispondere a queste domande di progettazione, i ricercatori hanno valutato l'architettura di sette sistemi di tre fornitori, IBM, Rigetti e UMD, con diverse topologie di connettività, abbracciando due tecnologie hardware qubit. Poiché i computer quantistici sono rumorosi, è pratica comune sul campo eseguire programmi diverse migliaia di volte e riportare la risposta che si verifica più frequentemente come risposta corretta. Per aumentare la probabilità di esecuzioni corrette, questo lavoro ha sviluppato TriQ, un compilatore di ottimizzazione multi-vendor che supera i compilatori del fornitore con margini significativi, nonostante l'applicabilità multipiattaforma.

Usando TriQ, i ricercatori hanno dimostrato che le scelte di progettazione architettonica di un sistema possono influenzare in modo significativo il tasso di correttezza delle esecuzioni del programma, sottolineando l'importanza di fare queste scelte progettuali tenendo conto dei requisiti del programma. Hanno osservato che la scelta del fornitore per il set di porte visibili dal software può influenzare sia il numero di operazioni necessarie per eseguire un programma sia il tasso di correttezza. Quando il fornitore espone le operazioni native o fondamentali, TriQ può ridurre significativamente il numero di operazioni native necessarie per eseguire una serie di istruzioni del programma, e aumentare il tasso di correttezza. Ciò suggerisce che sui computer quantistici, è prematuro schermare tutta la conoscenza delle istruzioni native tramite un dispositivo o un'ISA indipendente dal fornitore in un modo simile ai sistemi classici.

"Abbiamo anche scoperto che la corrispondenza tra i requisiti di comunicazione dell'applicazione e la topologia di connettività hardware è cruciale. Quando l'hardware è in grado di supportare un'applicazione con solo un numero limitato di operazioni di comunicazione, l'applicazione di solito ha maggiori possibilità di essere eseguita correttamente. Quando c'è una mancata corrispondenza, e sono necessarie molte operazioni di comunicazione, i tassi di correttezza delle applicazioni ne risentono, ", ha detto Murali.

Con i suoi strumenti software open source ora disponibili su github, il lavoro in questo documento ha il potenziale per offrire significativi miglioramenti reali nella compilazione del software di controllo qualità, offrendo anche l'opportunità di approfondimenti più ampi sugli approcci di progettazione più efficaci per l'hardware QC.