Kích hoạt cơ chế đa lập trình cho điện toán lượng tử trong kỷ nguyên NISQ

Kích hoạt cơ chế đa lập trình cho điện toán lượng tử trong kỷ nguyên NISQ

Dấu thời gian: ngày 16 tháng 2023 năm 7 05:XNUMX sáng
Kích hoạt cơ chế đa lập trình cho tính toán lượng tử trong kỷ nguyên NISQ Trí tuệ dữ liệu PlatoBlockchain. Tìm kiếm dọc. Ái.

Tứ Nguyên Nữu1 và Aida Todri-Sanial2,3

1LIRMM, Đại học Montpellier, 34095 Montpellier, Pháp
2LIRMM, Đại học Montpellier, 34095 Montpellier, CNRS, Pháp
3Đại học Công nghệ Eindhoven, 5612 AE, Eindhoven, Hà Lan

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Các thiết bị NISQ có một số giới hạn vật lý và các hoạt động lượng tử ồn ào không thể tránh khỏi và chỉ các mạch nhỏ mới có thể được thực hiện trên máy lượng tử để có được kết quả đáng tin cậy. Điều này dẫn đến vấn đề sử dụng dưới mức phần cứng lượng tử. Tại đây, chúng tôi giải quyết vấn đề này và cải thiện thông lượng phần cứng lượng tử bằng cách đề xuất Trình biên dịch đa lập trình lượng tử (QuMC) để thực thi đồng thời nhiều mạch lượng tử trên phần cứng lượng tử. Cách tiếp cận này cũng có thể làm giảm tổng thời gian chạy của các mạch. Trước tiên, chúng tôi giới thiệu một trình quản lý song song để chọn số lượng mạch thích hợp sẽ được thực hiện cùng một lúc. Thứ hai, chúng tôi trình bày hai thuật toán phân vùng qubit khác nhau để phân bổ các phân vùng đáng tin cậy cho nhiều mạch – một tham lam và một heuristic. Thứ ba, chúng tôi sử dụng giao thức Điểm chuẩn ngẫu nhiên đồng thời để mô tả các thuộc tính nhiễu xuyên âm và xem xét chúng trong quy trình phân vùng qubit để tránh hiệu ứng nhiễu xuyên âm trong quá trình thực thi đồng thời. Cuối cùng, chúng tôi tăng cường thuật toán chuyển đổi ánh xạ để làm cho các mạch có thể thực thi được trên phần cứng bằng cách giảm số lượng cổng được chèn. Chúng tôi chứng minh hiệu suất của phương pháp QuMC của mình bằng cách thực hiện đồng thời các mạch có kích thước khác nhau trên phần cứng lượng tử của IBM. Chúng tôi cũng điều tra phương pháp này trên thuật toán VQE để giảm chi phí hoạt động.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] Abdullah Ash-Saki, Mahabubul Alam và Swaroop Ghosh. Phân tích nhiễu xuyên âm trong thiết bị nisq và ý nghĩa bảo mật trong chế độ đa chương trình. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề quốc tế ACM/IEEE về thiết kế và điện tử công suất thấp, trang 25–30, 2020a. https://​/​doi.org/​10.1145/​3370748.3406570.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3370748.3406570

[2] Abdullah Ash-Saki, Mahabubul Alam và Swaroop Ghosh. Đặc tính thử nghiệm, mô hình hóa và phân tích nhiễu xuyên âm trong máy tính lượng tử. Giao dịch của IEEE về Kỹ thuật lượng tử, 2020b. https://​/​doi.org/​10.1109/​TQE.2020.3023338.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3023338

[3] Radoslaw C Bialczak, Markus Ansmann, Max Hofheinz, Erik Lucero, Matthew Neeley, AD O'Connell, Daniel Sank, Haohua Wang, James Wenner, Matthias Steffen, et al. Chụp cắt lớp quy trình lượng tử của một cổng vướng víu phổ quát được thực hiện với các qubit pha josephson. Nature Physics, 6(6): 409–413, 2010. https://​/​doi.org/​10.1038/​nphys1639.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys1639

[4] Carlos Bravo-Prieto, Ryan LaRose, Marco Cerezo, Yigit Subasi, Lukasz Cincio và Patrick Coles. Bộ giải tuyến tính lượng tử biến thiên: Một thuật toán lai cho các hệ thống tuyến tính. Bản tin của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ, 65, 2020.
arXiv: 1909.05820

[5] Một Robert Calderbank và Peter W Shor. Các mã sửa lỗi lượng tử tốt tồn tại. Đánh giá vật lý A, 54 (2): 1098, 1996. https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.1098.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.54.1098

[6] Marco Cerezo, Andrew Arrasmith, Ryan Babbush, Simon C Benjamin, Suguru Endo, Keisuke Fujii, Jarrod R McClean, Kosuke Mitarai, Xiao Yuan, Lukasz Cincio, et al. Các thuật toán lượng tử biến thiên. Nature Reviews Physics, 3 (9): 625–644, 2021. https://​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00348-9

[7] Ophelia Crawford, Barnaby van Straaten, Daochen Wang, Thomas Parks, Earl Campbell và Stephen Brierley. Phép đo lượng tử hiệu quả của các toán tử pauli khi có lỗi lấy mẫu hữu hạn. Lượng tử, 5: 385, 2021. https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-01-20-385

[8] Andrew W Cross, Lev S Bishop, John A Smolin và Jay M Gambetta. Mở hợp ngữ lượng tử. arXiv bản in trước arXiv: 1707.03429, năm 2017.
arXiv: 1707.03429

[9] Andrew W Cross, Lev S Bishop, Sarah Sheldon, Paul D Nation, và Jay M Gambetta. Xác thực máy tính lượng tử bằng các mạch mô hình ngẫu nhiên. Đánh giá Vật lý A, 100 (3): 032328, 2019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.100.032328.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.032328

[10] Poulami Das, Swamit S Tannu, Prashant J Nair, và Moinuddin Qureshi. Một trường hợp cho máy tính lượng tử đa chương trình. Trong Kỷ yếu của Hội nghị chuyên đề quốc tế IEEE/​ACM thường niên lần thứ 52 về vi kiến ​​trúc, trang 291–303, 2019. https://​/​doi.org/​10.1145/​3352460.3358287.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3352460.3358287

[11] Eugene F Dumitrescu, Alex J McCaskey, Gaute Hagen, Gustav R Jansen, Titus D Morris, T Papenbrock, Raphael C Pooser, David Jarvis Dean và Pavel Lougovski. Điện toán lượng tử đám mây của một hạt nhân nguyên tử. Thư đánh giá vật lý, 120 (21): 210501, 2018. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.120.210501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.120.210501

[12] Alexander Erhard, Joel J Wallman, Lukas Postler, Michael Meth, Roman Stricker, Esteban A Martinez, Philipp Schindler, Thomas Monz, Joseph Emerson và Rainer Blatt. Đặc trưng cho các máy tính lượng tử quy mô lớn thông qua đo điểm chuẩn theo chu kỳ. Truyền thông tự nhiên, 10(1): 1–7, 2019. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-13068-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-019-13068-7

[13] Héctor Abraham và cộng sự. Qiskit: Một khung nguồn mở cho điện toán lượng tử. https://​/​qiskit.org/​, 2019.
https://​/​qiskit.org/​

[14] Jay M Gambetta, AD Córcoles, Seth T Merkel, Blake R Johnson, John A Smolin, Jerry M Chow, Colm A Ryan, Chad Rigetti, S Poletto, Thomas A Ohki, et al. Đặc điểm của khả năng định địa chỉ bằng điểm chuẩn ngẫu nhiên đồng thời. Thư đánh giá vật lý, 109 (24): 240504, 2012. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.109.240504.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.240504

[15] Pranav Gokhale, Olivia Angiuli, Yongshan Ding, Kaiwen Gui, Teague Tomesh, Martin suchara, Margaret Martonosi, và Frederic T Chong. Tối ưu hóa phép đo đồng thời cho các ứng dụng bộ giải riêng lượng tử biến thiên. Vào năm 2020, Hội nghị Quốc tế IEEE về Máy tính và Kỹ thuật Lượng tử (QCE), trang 379–390. IEEE, 2020. https://​/​doi.org/​10.1109/​QCE49297.2020.00054.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00054

[16] Gian Giacomo Guerreschi và Công viên Jongsoo. Cách tiếp cận hai bước để lập lịch trình cho các mạch lượng tử. Khoa học và Công nghệ lượng tử, 3(4): 045003, 2018. https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aacf0b.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aacf0b

[17] Vojtěch Havlíček, Antonio D Córcoles, Kristan Temme, Aram W Harrow, Abhinav Kandala, Jerry M Chow và Jay M Gambetta. Học tập có giám sát với không gian tính năng tăng cường lượng tử. Thiên nhiên, 567 (7747): 209–212, 2019. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-019-0980-2

[18] Toshinari Itoko, Rudy Raymond, Takashi Imamichi, và Atsushi Matsuo. Tối ưu hóa ánh xạ mạch lượng tử bằng cách sử dụng chuyển đổi và chuyển đổi cổng. Tích hợp, 70: 43–50, 2020. 10.1016/​j.vlsi.2019.10.004.
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.vlsi.2019.10.004

[19] Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M Chow và Jay M Gambetta. Bộ giải lượng tử biến thiên hiệu quả về phần cứng cho các phân tử nhỏ và nam châm lượng tử. Thiên nhiên, 549 (7671): 242–246, 2017. https://​/​doi.org/​10.1038/​nature23879.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên23879

[20] Iordanis Kerenidis và Anupam Prakash. Giảm dần độ dốc lượng tử cho các hệ thống tuyến tính và bình phương nhỏ nhất. Đánh giá Vật lý A, 101 (2): 022316, 2020. 10.1103/​PhysRevA.101.022316.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.101.022316

[21] Benjamin P Lanyon, James D Whitfield, Geoff G Gillett, Michael E Goggin, Marcelo P Almeida, Ivan Kassal, Jacob D Biamonte, Masoud Mohseni, Ben J Powell, Marco Barbieri, et al. Hướng tới hóa học lượng tử trên máy tính lượng tử. Hóa học tự nhiên, 2(2): 106–111, 2010. https://​/​doi.org/​10.1038/​nchem.483.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nchem.483

[22] Gushu Li, Yufei Ding và Yuan Xie. Giải quyết vấn đề lập bản đồ qubit cho các thiết bị lượng tử thời nisq. Trong Kỷ yếu của Hội nghị Quốc tế lần thứ 1001 về Hỗ trợ Kiến trúc cho Ngôn ngữ Lập trình và Hệ điều hành, trang 1014–2019, 10.1145. 3297858.3304023/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304023

[23] Lôi Lưu và Tinh Lôi Đậu. Qucloud: Cơ chế lập bản đồ qubit mới cho điện toán lượng tử đa lập trình trong môi trường đám mây. Vào năm 2021, Hội nghị chuyên đề quốc tế của IEEE về Kiến trúc máy tính hiệu năng cao (HPCA), trang 167–178. IEEE, 2021. https://​/​doi.org/​10.1109/​HPCA51647.2021.00024.
https://​/​doi.org/​10.1109/​HPCA51647.2021.00024

[24] Pranav Mundada, Gengyan Zhang, Thomas Hazard và Andrew Houck. Loại bỏ nhiễu xuyên âm qubit trong mạch siêu dẫn ghép nối có thể điều chỉnh được. Đánh giá vật lý được áp dụng, 12 (5): 054023, 2019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevApplied.12.054023.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.12.054023

[25] Prakash Murali, Jonathan M Baker, Ali Javadi-Abhari, Frederic T Chong và Margaret Martonosi. Ánh xạ trình biên dịch thích ứng với tiếng ồn cho máy tính lượng tử quy mô trung bình ồn ào. Trong Kỷ yếu của Hội nghị Quốc tế lần thứ 1015 về Hỗ trợ Kiến trúc cho Ngôn ngữ Lập trình và Hệ điều hành, trang 1029–2019, 10.1145. 3297858.3304075/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304075

[26] Prakash Murali, David C McKay, Margaret Martonosi, và Ali Javadi-Abhari. Phần mềm giảm thiểu nhiễu xuyên âm trên các máy tính lượng tử quy mô trung bình ồn ào. Trong Kỷ yếu của Hội nghị quốc tế lần thứ 1001 về hỗ trợ kiến ​​trúc cho ngôn ngữ lập trình và hệ điều hành, trang 1016–2020, 10.1145. https://​/​doi.org/​3373376.3378477/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3373376.3378477

[27] Siyuan Niu và Aida Todri-Sanial. Phân tích lỗi nhiễu xuyên âm trong kỷ nguyên nisq. Vào năm 2021, Hội nghị chuyên đề hàng năm của Hiệp hội máy tính IEEE về VLSI (ISVLSI), trang 428–430, 2021. https://​/​doi.org/​10.1109/​ISVLSI51109.2021.00084.
https://​/​doi.org/​10.1109/​ISVLSI51109.2021.00084

[28] Siyuan Niu, Adrien Suau, Gabriel Staffelbach và Aida Todri-Sanial. Một kinh nghiệm nhận biết phần cứng cho vấn đề lập bản đồ qubit trong kỷ nguyên nisq. Giao dịch của IEEE về Kỹ thuật lượng tử, 1:1–14, 2020. 10.1109/​TQE.2020.3026544.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2020.3026544

[29] Yasuhiro Ohkura, Takahiko Satoh và Rodney Van Meter. Thực hiện các mạch lượng tử đồng thời trên các hệ thống nisq hiện tại và tương lai gần. bản in trước arXiv arXiv:2112.07091 https://​/​doi.org/​10.1109/​TQE.2022.3164716, 2021.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2022.3164716
arXiv: 2112.07091

[30] Elijah Pelofske, Georg Hahn và Hristo N Djidjev. Ủ lượng tử song song. Báo cáo khoa học, 12(1): 1–11, 2022. https://​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-08394-8.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-022-08394-8

[31] Alberto Peruzzo, Jarrod McClean, Peter Shadbolt, Man-Hong Yung, Xiao-Qi Zhou, Peter J Love, Alán Aspuru-Guzik và Jeremy L O'brien. Một bộ giải giá trị riêng biến thiên trên bộ xử lý lượng tử quang tử. Truyền thông tự nhiên, 5: 4213, 2014. https://​/doi.org/​10.1038/​ncomms5213 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1038/​ncomms5213%20(2014)

[32] John Preskill. Điện toán lượng tử trong kỷ nguyên NISQ và hơn thế nữa. Lượng tử, 2: 79, tháng 2018 năm 2521. ISSN 327-10.22331X. 2018 / q-08-06-79-XNUMX.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[33] Timothy J Proctor, Arnaud Carignan-Dugas, Kenneth Rudinger, Erik Nielsen, Robin Blume-Kohout và Kevin Young. Điểm chuẩn ngẫu nhiên trực tiếp cho các thiết bị multiqubit. Thư đánh giá vật lý, 123 (3): 030503, 2019. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.123.030503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.030503

[34] Salonik Resch, Anthony Gutierrez, Joon Suk Huh, Srikant Bharadwaj, Yasuko Eckert, Gabriel Loh, Mark Oskin và Swamit Tannu. Tăng tốc các thuật toán lượng tử biến phân bằng cách sử dụng đồng thời mạch. bản in trước arXiv arXiv:2109.01714, 2021.
arXiv: 2109.01714

[35] Mohan Sarovar, Timothy Proctor, Kenneth Rudinger, Kevin Young, Erik Nielsen và Robin Blume-Kohout. Phát hiện lỗi nhiễu xuyên âm trong bộ xử lý thông tin lượng tử. Lượng tử, 4: 321, 2020. https://​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-09-11-321.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-09-11-321

[36] Peter W. Shor. Các thuật toán đa thức thời gian để tính thừa số nguyên tố và logarit rời rạc trên máy tính lượng tử. Tạp chí SIAM về Máy tính, 26 (5): 1484–1509, 1997. 10.1137 / S0097539795293172.
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[37] Bochen Tan và Jason Cong. Nghiên cứu tối ưu của các công cụ tổng hợp bố cục máy tính lượng tử hiện có. Giao dịch của IEEE trên Máy tính, 70 (9): 1363–1373, 2021. https://​/​doi.org/​10.1109/​TC.2020.3009140.
https: / / doi.org/ 10.1109 / TC.2020.3009140

[38] Swamit S Tannu và Moinuddin K Qureshi. Không phải tất cả các qubit đều được tạo ra như nhau: một trường hợp đối với các chính sách nhận biết sự thay đổi dành cho máy tính lượng tử thời nisq. Trong Kỷ yếu của Hội nghị Quốc tế lần thứ 987 về Hỗ trợ Kiến trúc cho Ngôn ngữ Lập trình và Hệ điều hành, trang 999–2019, 10.1145. https://​/​doi.org/​3297858.3304007/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3297858.3304007

[39] R. Wille, D. Große, L. Teuber, GW Dueck và R. Drechsler. RevLib: Một tài nguyên trực tuyến cho các chức năng đảo ngược và các mạch đảo ngược. Trong Quốc tế Symp. về Logic đa giá trị, trang 220–225, 2008. URL http://​/​www.revlib.org.
http://​/​www.revlib.org

[40] Robert Wille, Lukas Burgholzer và Alwin Zulehner. Ánh xạ các mạch lượng tử tới các kiến ​​trúc ibm qx bằng cách sử dụng số lượng thao tác hoán đổi và h tối thiểu. Trong Hội nghị Tự động hóa Thiết kế (DAC) ACM/​IEEE lần thứ 2019 năm 56, trang 1–6. IEEE, 2019. https://​/​doi.org/​10.1145/​3316781.3317859.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 3316781.3317859

[41] Feng Zhang, Niladri Gomes, Noah F Berthusen, Peter P Orth, Cai-Zhuang Wang, Kai-Ming Ho và Yong-Xin Yao. Bộ giải riêng lượng tử biến thiên mạch nông dựa trên phân vùng không gian hilbert lấy cảm hứng từ đối xứng để tính toán hóa học lượng tử. Nghiên cứu Đánh giá Vật lý, 3 (1): 013039, 2021. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.3.013039.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013039

[42] Peng Zhao, Peng Xu, Dong Lan, Ji Chu, Xinsheng Tan, Haifeng Yu và Yang Yu. Tương tác zz có độ tương phản cao bằng cách sử dụng qubit siêu dẫn với tính bất điều hòa trái dấu. Physical Review Letters, 125 (20): 200503, 2020. https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.125.200503.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.200503

Trích dẫn

[1] Andrew Eddins, Mario Motta, Tanvi P. Gujarati, Sergey Bravyi, Antonio Mezzacapo, Charles Hadfield và Sarah Sheldon, “Nhân đôi Kích thước của Bộ mô phỏng Lượng tử bằng cách Giả mạo Sự vướng víu”, PRX lượng tử 3 1, 010309 (2022).

[2] Siyuan Niu và Aida Todri-Sanial, “Ảnh hưởng của việc tách động lực và tối ưu hóa mức xung trên máy tính lượng tử của IBM”, arXiv: 2204.01471, (2022).

[3] Lana Mineh và Ashley Montanaro, “Tăng tốc bộ giải riêng lượng tử biến phân bằng cách sử dụng song song”, arXiv: 2209.03796, (2022).

[4] Yasuhiro Ohkura, Takahiko Satoh và Rodney Van Meter, “Thực hiện đồng thời các mạch lượng tử trên các hệ thống NISQ hiện tại và tương lai gần”, arXiv: 2112.07091, (2021).

[5] Siyuan Niu và Aida Todri-Sanial, “Điểm chuẩn đa nền tảng đa lập trình cho phần cứng điện toán lượng tử”, arXiv: 2206.03144, (2022).

[6] Siyuan Niu và Aida Todri-Sanial, “Việc thực thi mạch song song có thể hữu ích như thế nào đối với điện toán NISQ?”, arXiv: 2112.00387, (2021).

[7] Gilchan Park, Kun Zhang, Kwangmin Yu và Vladimir Korepin, “Lập trình đa lượng tử cho tìm kiếm của Grover”, Xử lý thông tin lượng tử 22 1, 54 (2023).

[8] Elijah Pelofske, Georg Hahn và Hristo N. Djidjev, “Động lực học tiếng ồn của máy luyện lượng tử: Ước tính tiếng ồn hiệu quả bằng cách sử dụng các qubit nhàn rỗi”, arXiv: 2209.05648, (2022).

[9] Evan E. Dobbs, Robert Basmadjian, Alexandru Paler và Joseph S. Friedman, “Chuyển đổi nhanh trong một hệ số lượng tử được mô hình hóa như một mạng xếp hàng”, arXiv: 2106.13998, (2021).

Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2023 / 02-17 00:11:37). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.

On Dịch vụ trích dẫn của Crossref không có dữ liệu về các công việc trích dẫn được tìm thấy (lần thử cuối cùng 2023 / 02-17 00:11:35).

Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử