2019-04-12 19:12:01
研究为量子计算机提供了速度提升

芝加哥大学研究人员的一项新发现有望将当前和下一代量子计算机的速度和可靠性提高十倍。通过结合物理学和计算机科学的原理,研究人员开发了一种新的可扩展编译器,使软件能够识别基础量子硬件,随着科学家竞相建立第一台实用的量子计算机,它们将带来显着的性能优势

UChicago研究小组由来自EPiQC(实现实际规模量子计算)合作的计算机科学家和物理学家组成,这是一项于2018年启动的NSF计算探险.EPiQC旨在弥合现有理论算法与近实用量子计算架构的差距。 - 设备。

融合计算机科学与物理学的方法

EPiQC团队论文背后的核心技术采用量子最优控制,这是物理学家在量子计算成功之前很久就开发出来的一种方法。量子最优控制微调量子系统的控制旋钮,以便连续地将粒子驱动到期望的量子态 - 或者在计算环境中,实现期望的程序。

如果成功适应,量子最优控制将允许量子计算机以尽可能高的效率执行程序......但这需要性能权衡。

“物理学家实际上已经使用量子最优控制来操纵小系统多年,但问题是他们的方法不能扩展,”研究员Yunong Shi说。

即使使用最先进的硬件,也只需要几个小时即可完成针对仅有10个量子比特(量子比特)的机器的量子最优控制。此外,这个运行时间呈指数级增长,这使得量子最优控制在未来一年预计的20-100比特率的机器中难以实现。

与此同时,计算机科学家已经开发出自己的方法来编写量子程序,直到量子硬件的控制旋钮。计算机科学方法具有可扩展性的优势 - 编译器可以轻松地为具有数千个量子比特的机器编译程序。但是,这些编译器基本上没有意识到底层的量子硬件。通常,软件处理的量子操作与硬件执行的量子操作之间存在严重的不匹配。结果,编译的程序效率低下。

EPiQC团队的工作通过智能地将大量子程序分成子程序来合并计算机科学和物理方法。每个子程序都足够小,可以通过量子最优控制的物理方法来处理,而不会遇到性能问题。这种方法实现了计算机科学界传统编译器的程序级可扩展性和量子最优控制的子程序级效率增益。

子程序的智能生成由用于利用可交换性的算法驱动 - 这种现象可以以任何顺序重新排列量子操作。在近期和长期相关的各种量子算法中,EPiQC团队的编译器在基线上实现了2到10倍的执行加速。但由于量子比特的脆弱性,量子程序执行的加速转换为最终计算的指数级更高的成功率。正如Shi所强调的那样,“在量子计算机上,加快执行时间就会死亡。”

打破抽象障碍

这种新的编译器技术与以前的工作有很大的不同。 “过去的量子程序编译器已经模仿现代传统计算机的编译器,”Uchicago的计算机科学Seymour Goodman教授和EPiQC的首席执行官Fred Chong说道。但是与传统计算机不同,量子计算机众所周知是脆弱和嘈杂的,因此针对传统计算机优化的技术并不适用于量子计算机。 “我们的新编译器与以前的经典启发编译器不同,因为它打破了量子算法和量子硬件之间的抽象障碍,从而以更复杂的编译器为代价提高了效率。”

虽然团队的研究围绕使编译器软件了解底层硬件,但它与特定类型的底层硬件无关。这很重要,因为目前正在开发几种不同类型的量子计算机,例如具有超导量子位和陷阱离子量子位的量子计算机。

该团队希望在未来几个月内看到他们的方法的实验性实现,特别是现在已经定义了开放的行业标准OpenPulse。根据量子最优控制技术的需要,该标准将使量子计算机能够以尽可能低的水平运行。 IBM的量子路线图强调OpenPulse支持是2019年的一个关键目标,其他公司也有望宣布类似的计划。

该团队的全文“现实量子计算机聚合指令的优化编译”现已发布于arXiv,将于4月17日在罗德岛举行的ASPLOS计算机体系结构会议上发布。除了Shi和Chong之外,共同作者还包括Nelson Leung,Pranav Gokhale,Zane Rossi,David I. Schuster和Henry Hoffman,都在芝加哥大学。

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