Une expérience montre comment les circuits optimisés par logiciel exécutent des algorithmes quantiques moins sujets aux erreurs

Un compilateur intelligent pour le matériel quantique supraconducteur

Les processeurs quantiques avec des architectures à deux ou trois dimensions ont une connectivité qubit limitée où chaque qubit interagit avec seulement un nombre limité d’autres qubits. De plus, les informations de chaque qubit ne peuvent exister que si longtemps avant que le bruit et les erreurs ne provoquent une décohérence, limitant la durée d’exécution et la fidélité des algorithmes quantiques. Par conséquent, lors de la conception et de l’exécution d’un circuit quantique, les chercheurs doivent optimiser la traduction du circuit composé de portes abstraites (logiques) en instructions physiques basées sur les portes matérielles natives disponibles dans un processeur quantique donné. Des décompositions de circuit efficaces minimisent le temps de fonctionnement car elles prennent en compte le nombre de portes et d’opérations supportées nativement par le matériel pour effectuer les opérations logiques souhaitées.

Les portes SWAP – qui échangent des informations entre les qubits – sont souvent introduites dans les circuits quantiques pour faciliter les interactions entre les informations dans des qubits non adjacents. Si un dispositif quantique n’autorise que des portes entre des qubits adjacents, des permutations sont utilisées pour déplacer des informations d’un qubit à un autre qubit non adjacent.

Dans le matériel quantique à échelle intermédiaire bruyant (NISQ), l’introduction de portes d’échange peut nécessiter une surcharge expérimentale importante. La porte d’échange doit souvent être décomposée en portes natives, telles que des portes NON contrôlées. Par conséquent, lors de la conception de circuits quantiques avec une connectivité qubit limitée, il est important d’utiliser un compilateur intelligent qui peut rechercher, décomposer et annuler des portes quantiques redondantes pour améliorer la durée d’exécution d’un algorithme ou d’une application quantique.

Le partenariat de recherche a utilisé le logiciel SuperstaQ de Super.tech permettant aux scientifiques d’adapter finement leurs applications et d’automatiser les compilations de circuits pour le matériel supraconducteur d’AQT, en particulier pour une porte S contrôlée haute fidélité native, qui n’est pas disponible sur la plupart des systèmes matériels. Cette approche de compilation intelligente avec quatre qubits transmon permet aux réseaux SWAP d’être décomposés plus efficacement que les méthodes de décomposition standard.

Un réseau de portes ZZ SWAP ne nécessite qu’une connectivité linéaire minimale entre les qubits sans couplages supplémentaires, il offre donc des avantages pratiques pour l’exécution efficace d’algorithmes quantiques tels que l’algorithme d’optimisation approximative quantique (QAOA). QAOA se rapproche des solutions aux problèmes d’optimisation combinatoire – trouver la réponse optimale en donnant un ensemble de critères. Le problème Maximum-Cut, qui peut être utilisé pour organiser des hubs sur un système de réseau de transport, est un exemple d’un célèbre problème d’optimisation combinatoire qui peut potentiellement être résolu plus rapidement avec QAOA en utilisant des circuits quantiques.

“L’un des défis les plus difficiles en informatique quantique est d’effectuer des opérations logiques discrètes. Parce que nos signaux de contrôle sont analogiques et continus, ils sont toujours imparfaits. Au fur et à mesure que nous construisons des circuits quantiques plus complexes, l’infrastructure logicielle qui compile de manière optimale les portes adaptées au matériel d’AQT nous aide à atteindre une plus grande fidélité opérationnelle », Akel Hashim, le chercheur principal de l’AQT sur l’expérience et un étudiant diplômé à l’Université de Californie, Berkeley.

“Une caractéristique unique de l’informatique quantique est qu’elle permet des portes logiques partielles. Cette fonctionnalité n’a pas d’équivalent dans la logique booléenne traditionnelle – par exemple, votre ordinateur portable ne peut pas exécuter 50 % d’une porte ET. La capacité d’AQT à calibrer ces portes partiellement contrôlées -Les portes quantiques S nous ont permis de développer un plus large éventail de nouvelles optimisations pour tirer le meilleur parti du matériel », a déclaré Rich Rines, anciennement de Super.tech et actuellement ingénieur logiciel chez ColdQuanta.

“Un défi clé en ingénierie logicielle pour cette expérience était la collaboration à distance, nous avons donc développé de manière itérative des optimisations de circuits quantiques informées par les portes personnalisées calibrées par l’équipe de l’AQT. Nous avons optimisé de bout en bout en trouvant comment sérialiser ces impulsions tout en tenant compte du matériel. Nous a également compris comment intégrer des progiciels quantiques open source à notre compilateur, en veillant à ce que nos optimisations ne réinventent pas la roue », a déclaré Victory Omole, anciennement chez Super.tech et ingénieur logiciel chez ColdQuanta.

Dans le cadre de l’expérience, l’équipe a également introduit une nouvelle technique appelée Moyenne de circuit équivalent (ECA), qui a randomisé les différents paramètres des réseaux SWAP pour générer de nombreux circuits logiquement équivalents. ECA randomise la décomposition des circuits quantiques, atténuant l’impact des erreurs cohérentes systématiques – l’une des erreurs les plus graves dans les ordinateurs quantiques et largement étudiée à l’AQT.

“J’ai proposé un moyen de fusionner mes travaux expérimentaux précédents en compilation aléatoire avec Quantum Benchmark (acquis par Keysight) en utilisant le compilateur intelligent de Super.tech pour étudier une nouvelle façon de réduire l’impact des erreurs de diaphonie”, a déclaré Hashim. « Je n’aurais pas eu la perspicacité d’avoir cette idée si je n’avais pas travaillé avec d’autres chercheurs dans le cadre du programme des utilisateurs de l’AQT. En tant que personne qui va entrer sur le marché du travail, le réseautage est essentiel pour constituer un noyau de personnes que je connais dans du domaine qui sont des experts dans divers domaines, à qui je peux également présenter des idées de recherche. »

Ces optimisations expérimentales ont permis d’améliorer jusqu’à 88 % la précision des performances de QAOA. Les chercheurs cherchent à continuer à explorer et à affiner les méthodes de ce travail et à les appliquer à d’autres applications.

Soutenir la croissance de l’industrie avec un laboratoire de recherche en libre accès

AQT exploite un banc d’essai expérimental ouvert à la pointe de la technologie basé sur des circuits supraconducteurs et est financé par le programme de recherche en calcul scientifique avancé (ASCR) du Département de l’énergie des États-Unis. Les technologies développées ailleurs peuvent être déployées et testées sur le terrain à l’AQT, offrant un accès approfondi à la pile complète d’informatique quantique sans frais supplémentaires.

Depuis l’inauguration de son programme utilisateur en 2020, l’AQT a fourni à Super.tech, l’un des nombreux utilisateurs de l’industrie, un accès de bas niveau au matériel pour tester ses idées. Peu de plates-formes quantiques basées sur le cloud offrent ce type d’accès complet à l’ensemble de la pile informatique quantique et aux commentaires en temps réel des experts en matériel sans frais. Super.tech a collaboré avec l’équipe expérimentale d’experts de l’AQT pour apprendre comment améliorer les performances sur ce type de matériel.

“En révélant les contrôles internes du matériel quantique, l’approche collaborative de l’AQT avec les utilisateurs stimule l’innovation dans toute la pile informatique quantique. Nous sommes impatients de poursuivre notre collaboration de recherche avec l’AQT, et nous continuerons à partager ces résultats avec la communauté scientifique en publiant nos apprentissages. “, a déclaré Pranav Gokhale, vice-président de Quantum Software chez ColdQuanta et ancien PDG et cofondateur de Super.tech.

L’AQT de Berkeley Lab continue de se développer en tant que centre de pointe pour la recherche et le développement d’informations quantiques en réunissant expertise et utilisateurs, y compris des startups en démarrage, telles que Super.tech, qui poursuivent désormais leur parcours de croissance dans le cadre de ColdQuanta.