Une étude récente menée par des chercheurs de l'Université de Princeton, en collaboration avec l'Université du Maryland et IBM, a exploré la conception architecturale des ordinateurs quantiques (QC). Dans un article présenté au Symposium international ACM/IEEE 2019 sur l'architecture informatique, les chercheurs ont effectué la plus grande évaluation de système réel d'ordinateurs quantiques à ce jour, en utilisant sept ordinateurs quantiques d'IBM, Rigetti et l'Université du Maryland.

Les chercheurs ont développé un nouveau logiciel pour compiler des applications QC aux prototypes matériels; sur du matériel de contrôle qualité précoce sujet aux erreurs, ce compilateur offre une amélioration jusqu'à 28 fois des taux d'exactitude des programmes par rapport aux compilateurs de l'industrie. L'étude souligne l'importance d'une conception minutieuse des ensembles d'instructions, des topologies de connectivité riches et la nécessité de co-concevoir des applications et du matériel pour obtenir les meilleures performances des nouveaux systèmes de CQ.

Des technologies d'informatique quantique très différentes

L'informatique quantique est un paradigme de calcul fondamentalement nouveau avec des applications prometteuses dans la conception de médicaments, conception d'engrais, intelligence artificielle et traitement sécurisé de l'information, entre autres. Depuis sa création dans les années 1980 en tant qu'entreprise purement théorique, l'informatique quantique a maintenant progressé au point que de petits systèmes prototypes sont disponibles pour les expériences. Des entreprises telles qu'IBM et Rigetti offrent désormais un accès gratuit à leurs systèmes de cinq à 16 qubits sur le cloud. Ces systèmes peuvent être programmés à l'aide de séquences d'instructions, également connu sous le nom d'opérations ou de portes.

Analogue aux premiers jours de l'informatique classique impliquant des systèmes construits avec des circuits relais à tubes à vide ou des transistors, Les systèmes QC aujourd'hui peuvent être construits à partir de plusieurs technologies matérielles. Les technologies de pointe incluent les qubits supraconducteurs et les qubits d'ions piégés, avec d'autres technologies candidates également d'un intérêt considérable. Cependant, contrairement aux ordinateurs binaires classiques, Les technologies QC sont si différentes que même les opérations de porte fondamentales qui peuvent être effectuées sur un seul qubit diffèrent considérablement. La sélection des opérations de porte les plus appropriées à exposer pour l'utilisation du logiciel est une décision de conception CQ importante.

Les systèmes QC actuels diffèrent également en termes de fiabilité des opérations entre les paires de qubits. Par exemple, dans les qubits supraconducteurs comme ceux d'IBM et de Rigetti, les qubits sont imprimés sur une plaquette 2-D en utilisant une méthode similaire à la fabrication de processeur classique. Dans ces systèmes, les opérations inter-qubit ne sont autorisées qu'entre qubits proches les uns des autres et connectés par des fils spéciaux. Cette approche de fabrication impose des limites dans la façon dont différents qubits peuvent communiquer, à savoir permettre à chaque qubit du système d'interagir directement avec seulement quelques autres qubits proches. En revanche, pour les qubits d'ions piégés en UMD, les opérations inter-qubits sont accomplies en utilisant le mouvement vibrationnel d'une chaîne d'ions. Parce que cette approche n'utilise pas de connexions physiques sous forme de fils, il permet des opérations inter-qubit entre n'importe quelle paire de qubits dans le système. Ce modèle de communication plus étendu peut être utile à certains algorithmes de CQ.

Une troisième caractéristique à noter est que dans toutes ces technologies candidates, l'état quantique est très difficile à manipuler avec précision. Cela conduit à des taux d'erreurs opérationnelles. En outre, l'ampleur de ces erreurs varie considérablement, à la fois sur les qubits du système et dans le temps. Par conséquent, ces grandes variations de bruit modifient la fiabilité des opérations jusqu'à un facteur 10. Étant donné que les algorithmes QC enchaînent plusieurs de ces opérations ensemble, les taux d'erreur par opération s'additionnent pour rendre difficile pour le programme d'obtenir la bonne réponse globale.

Architecture pour ordinateurs quantiques

Les différences dramatiques entre les différentes implémentations QC ont incité les chercheurs à concevoir des interfaces de programmation qui protègent le programmeur des détails d'implémentation et des taux d'erreur des qubits. Une telle interface, communément appelée architecture de jeu d'instructions (ISA), constitue la pierre angulaire des systèmes informatiques modernes.

L'ISA comprend un ensemble d'instructions qui peuvent être exécutées sur le matériel et sert de contrat entre la mise en œuvre matérielle et le logiciel. Tant que le programme utilise les opérations autorisées par l'ISA, il peut être exécuté sans modifications sur n'importe quel matériel, qui implémente également le même ISA, indépendamment des différences entre les implémentations matérielles.

Les fournisseurs de QC prennent un certain nombre de décisions de conception concernant l'ISA et la connectivité des qubits. Chaque fournisseur choisit de fournir un ensemble de portes visibles par logiciel qui masquent les détails particuliers des implémentations de portes. Ces portes ne sont généralement pas les mêmes que les opérations fondamentales, et sont généralement choisis pour être des opérations fréquemment utilisées par les concepteurs et les programmeurs d'algorithmes quantiques.

« Quelles portes un fournisseur devrait-il choisir d'exposer au matériel ? Devrions-nous faire abstraction de ces portes dans un ISA commun à tous les fournisseurs ou les adapter aux caractéristiques sous-jacentes de l'appareil ? » demande Prakash Murali, un étudiant diplômé à Princeton et un auteur de l'étude. De la même manière, le choix de la connectivité qubit, bien qu'influencé par la technologie matérielle, détermine les opérations inter-qubit qu'un programme peut utiliser. « Comment le fournisseur doit-il interconnecter ses qubits ? Comment l'interaction des taux de bruit variables et de la connectivité influence-t-elle les programmes ? » dit Murali.

Informations de conception pour l'architecture informatique quantique

Pour répondre à ces questions de conception, les chercheurs ont évalué l'architecture de sept systèmes de trois fournisseurs, IBM, Rigetti et UMD, avec différentes topologies de connectivité, couvrant deux technologies matérielles qubit. Puisque les ordinateurs quantiques sont bruyants, c'est une pratique courante dans le domaine d'exécuter des programmes plusieurs milliers de fois et de signaler la réponse qui se produit le plus souvent comme réponse correcte. Pour augmenter la probabilité d'exécutions correctes, ce travail a développé TriQ, un compilateur d'optimisation multi-fournisseurs qui surpasse les compilateurs fournisseurs par des marges significatives, malgré l'applicabilité multiplateforme.

En utilisant TriQ, les chercheurs ont montré que les choix de conception architecturale d'un système peuvent influencer de manière significative le taux d'exactitude des exécutions du programme, soulignant l'importance de faire ces choix de conception en tenant compte des exigences du programme. Ils ont observé que le choix du fournisseur pour l'ensemble de portes visibles par logiciel peut influencer à la fois le nombre d'opérations requises pour exécuter un programme et le taux de correction. Lorsque le vendeur expose les opérations natives ou fondamentales, TriQ peut réduire considérablement le nombre d'opérations natives requises pour exécuter un ensemble d'instructions de programme, et augmenter le taux de correction. Cela suggère que sur les ordinateurs quantiques, il est prématuré de protéger toutes les connaissances des instructions natives via un périphérique ou un ISA indépendant du fournisseur d'une manière similaire aux systèmes classiques.

« Nous avons également constaté que la correspondance entre les exigences de communication de l'application et la topologie de connectivité matérielle est cruciale. Lorsque le matériel peut prendre en charge une application avec seulement un petit nombre d'opérations de communication, l'application a généralement plus de chances de s'exécuter correctement. Lorsqu'il y a un décalage, et beaucoup d'opérations de communication sont nécessaires, les taux de correction des applications en pâtissent, " dit Murali.

Avec ses outils logiciels open source désormais disponibles sur github, le travail dans cet article a le potentiel d'offrir des améliorations significatives dans le monde réel dans la compilation de logiciels de CQ, tout en offrant également la possibilité d'avoir des informations plus larges sur les approches de conception les plus efficaces pour le matériel de contrôle qualité.