量子計算機的架構,硬體,軟體等都有成果!量子計算時代快了

2020-12-05 博科園

普林斯頓大學研究人員與馬裡蘭大學和IBM合作進行了一項研究，探索了量子計算機(QC)的架構設計。在2019年ACM/IEEE計算機架構國際研討會上發表的一篇論文中，研究人員使用IBM、Rigetti和馬裡蘭大學的7臺量子計算機，對量子計算機進行了迄今為止規模最大的實際系統評估。

研究人員開發了新軟體來編譯從量子計算機應用程式到硬體原型，在容易出錯的早期量子計算機硬體上。與行業編譯器相比，該編譯器在程序正確率方面提高了28倍，該研究強調了精心設計指令集、豐富的連接拓撲以及協同設計應用程式和硬體重要性，以實現初生量子計算機系統的最佳性能。

不同的量子計算技術

量子計算是一種全新的計算範式，在藥物設計、肥料設計、人工智慧和安全信息處理等領域有著廣闊的應用前景。量子計算從20世紀80年代作為一項純理論研究開始，現在已經發展到可以用小型原型系統進行實驗的地步。像IBM和Rigetti這樣的，現在可以通過雲免費訪問他們5到16量子位系統。這些系統可以使用指令序列進行編程，也稱為操作或門。與早期經典計算類似，使用真空管、繼電器電路或電晶體構建系統，今天的量子計算機系統可以由幾種硬體技術構建。

領先的技術包括超導量子位元和捕獲離子量子位元，其他候選技術也有相當大的興趣。然而，與傳統的二進位計算機不同，量子計算機技術是如此的不同，甚至可以在一個量子位上執行的基本門操作也有很大不同。為軟體使用選擇最合適的門操作，是一個重要的量子計算機設計決策。目前量子計算機系統在量子位對之間操作的可靠性方面也有所不同。例如，在IBM和Rigetti的超導量子位元中，量子位元使用與經典處理器製造類似的方法列印在二維晶圓上。

在這些系統中，量子位之間的運算只允許在相互接近的量子位之間進行，並且由特殊電線連接。這種製造方法對不同量子位元如何通信施加了限制，即允許系統中的每個量子位元只與少數幾個鄰近量子位元直接交互。相比之下，對於UMD中捕獲的離子量子位元，量子位元之間的運算是通過一條離子鏈的振動運動來完成。因為這種方法不使用連線形式的物理連接，所以它允許系統中任意一對量子位元之間進行量子位元間的運算。

這種更廣泛的通信模型對某些量子計算機算法有一定參考價值，值得注意的第三個特徵是，在所有這些候選技術中，量子態很難精確地操縱。這將導致操作錯誤率。此外，這些誤差的大小在系統中的量子位元和時間上都有顯著變化。結果，這些巨大的噪音變化將操作的可靠性提高了10倍。由於量子計算機算法將這些操作鏈在一起，每個操作的錯誤率會使程序很難得到正確答案。

量子計算機體系結構

不同量子計算機實現之間的巨大差異促使研究人員設計編程接口，使程序免受量子位元實現細節和錯誤率的影響。這種接口通常稱為指令集體系結構(ISA)，是現代計算系統的基石。ISA包含一組指令，可以在硬體上執行，並作為硬體實現和軟體之間的契約。只要程序使用ISA允許的操作，就可以在不修改任何硬體的情況下運行，而硬體也實現相同的ISA，而不考慮硬體實現之間的任何差異。

量子計算機供應商對ISA和量子位元的連接性做出了許多設計決策。每個供應商都選擇提供一組軟體可見的門，這些門掩蓋了門實現的特定細節。這些門通常與基本操作不同，通常被選擇為量子算法設計人員和程式設計師經常使用的操作。供應商應該選擇向硬體公開哪些門？應該將這些門抽象到供應商之間的通用ISA中，還是根據底層設備特性來定製它們？同樣，量子位連通性的選擇，儘管受到硬體技術影響，但它決定了程序可以使用哪些量子位之間的操作。

量子計算機架構的設計見解

為了回答這些設計問題，研究人員評估了來自三個供應商(IBM、Rigetti和UMD)的七個系統體系結構，它們具有不同的連接拓撲，跨越兩種硬體量位技術。由於量子計算機是有噪聲的，運行程序數千次並將最常見的答案作為正確答案報告是該領域的標準做法。為了提高正確運行的可能性，這項研究開發了TriQ，這是一種多供應商優化編譯器，儘管具有跨平臺的適用性，但它的性能顯著優於供應商編譯器。

使用TriQ，研究人員表明，系統架構設計選擇可以顯著影響程序運行的正確率，強調了考慮程序需求做出這些設計選擇的重要性。發現，供應商對軟體可見門集的選擇會影響運行程序所需操作數量和正確率。當供應商公開本機或基本操作時，TriQ可以顯著減少執行一組程序指令所需的本機操作數量，並提高正確率。這表明，在量子計算機上，以一種類似於經典系統的方式，通過設備或獨立於供應商的ISA來屏蔽本機指令的所有知識還為時過早。

同時研究還發現，應用程式的通信需求和硬體連接拓撲結構之間的匹配至關重要。當硬體只能支持少量通信操作的應用程式時，應用程式正確執行的機率通常更高。當出現不匹配時，需要進行大量的通信操作，應用程式正確率就會受到影響。由於其開源軟體工具現在可以在github上使用，有可能為量子計算機軟體編譯提供重大的實際改進，同時也為更廣泛地了解量子計算機硬體最有效的設計方法提供了機會。

博科園｜研究/來自：普林斯頓大學參考期刊《arXiv》Cite: arXiv:1905.11349博科園｜科學、科技、科研、科普

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