普林斯頓大學(xué)研究人員與馬里蘭大學(xué)和IBM合作進(jìn)行了一項(xiàng)研究，探索了量子計(jì)算機(jī)(QC)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。在2019年ACM/IEEE計(jì)算機(jī)架構(gòu)國際研討會上發(fā)表的一篇論文中，研究人員使用IBM、Rigetti和馬里蘭大學(xué)的7臺量子計(jì)算機(jī)，對量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了迄今為止規(guī)模最大的實(shí)際系統(tǒng)評估。

研究人員開發(fā)了新軟件來編譯從量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序到硬件原型，在容易出錯的早期量子計(jì)算機(jī)硬件上。與行業(yè)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(qiáng)調(diào)了精心設(shè)計(jì)指令集、豐富的連接拓?fù)湟约皡f(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用程序和硬件重要性，以實(shí)現(xiàn)初生量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最佳性能。

不同的量子計(jì)算技術(shù)

量子計(jì)算是一種全新的計(jì)算范式，在藥物設(shè)計(jì)、肥料設(shè)計(jì)、人工智能和安全信息處理等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。量子計(jì)算從20世紀(jì)80年代作為一項(xiàng)純理論研究開始，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到可以用小型原型系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的地步。像IBM和Rigetti這樣的，現(xiàn)在可以通過云免費(fèi)訪問他們5到16量子位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以使用指令序列進(jìn)行編程，也稱為操作或門。與早期經(jīng)典計(jì)算類似，使用真空管、繼電器電路或晶體管構(gòu)建系統(tǒng)，今天的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以由幾種硬件技術(shù)構(gòu)建。

領(lǐng)先的技術(shù)包括超導(dǎo)量子位元和捕獲離子量子位元，其他候選技術(shù)也有相當(dāng)大的興趣。然而，與傳統(tǒng)的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)技術(shù)是如此的不同，甚至可以在一個量子位上執(zhí)行的基本門操作也有很大不同。為軟件使用選擇最合適的門操作，是一個重要的量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)決策。目前量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(dǎo)量子位元中，量子位元使用與經(jīng)典處理器制造類似的方法打印在二維晶圓上。

在這些系統(tǒng)中，量子位之間的運(yùn)算只允許在相互接近的量子位之間進(jìn)行，并且由特殊電線連接。這種制造方法對不同量子位元如何通信施加了限制，即允許系統(tǒng)中的每個量子位元只與少數(shù)幾個鄰近量子位元直接交互。相比之下，對于UMD中捕獲的離子量子位元，量子位元之間的運(yùn)算是通過一條離子鏈的振動運(yùn)動來完成。因?yàn)檫@種方法不使用連線形式的物理連接，所以它允許系統(tǒng)中任意一對量子位元之間進(jìn)行量子位元間的運(yùn)算。

這種更廣泛的通信模型對某些量子計(jì)算機(jī)算法有一定參考價(jià)值，值得注意的第三個特征是，在所有這些候選技術(shù)中，量子態(tài)很難精確地操縱。這將導(dǎo)致操作錯誤率。此外，這些誤差的大小在系統(tǒng)中的量子位元和時間上都有顯著變化。結(jié)果，這些巨大的噪音變化將操作的可靠性提高了10倍。由于量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

不同量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的巨大差異促使研究人員設(shè)計(jì)編程接口，使程序免受量子位元實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和錯誤率的影響。這種接口通常稱為指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA)，是現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的基石。ISA包含一組指令，可以在硬件上執(zhí)行，并作為硬件實(shí)現(xiàn)和軟件之間的契約。只要程序使用ISA允許的操作，就可以在不修改任何硬件的情況下運(yùn)行，而硬件也實(shí)現(xiàn)相同的ISA，而不考慮硬件實(shí)現(xiàn)之間的任何差異。

量子計(jì)算機(jī)供應(yīng)商對ISA和量子位元的連接性做出了許多設(shè)計(jì)決策。每個供應(yīng)商都選擇提供一組軟件可見的門，這些門掩蓋了門實(shí)現(xiàn)的特定細(xì)節(jié)。這些門通常與基本操作不同，通常被選擇為量子算法設(shè)計(jì)人員和程序員經(jīng)常使用的操作。供應(yīng)商應(yīng)該選擇向硬件公開哪些門？應(yīng)該將這些門抽象到供應(yīng)商之間的通用ISA中，還是根據(jù)底層設(shè)備特性來定制它們？同樣，量子位連通性的選擇，盡管受到硬件技術(shù)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(jì)算機(jī)架構(gòu)的設(shè)計(jì)見解

為了回答這些設(shè)計(jì)問題，研究人員評估了來自三個供應(yīng)商(IBM、Rigetti和UMD)的七個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，它們具有不同的連接拓?fù)?#xff0c;跨越兩種硬件量位技術(shù)。由于量子計(jì)算機(jī)是有噪聲的，運(yùn)行程序數(shù)千次并將最常見的答案作為正確答案報(bào)告是該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)做法。為了提高正確運(yùn)行的可能性，這項(xiàng)研究開發(fā)了TriQ，這是一種多供應(yīng)商優(yōu)化編譯器，盡管具有跨平臺的適用性，但它的性能顯著優(yōu)于供應(yīng)商編譯器。

使用TriQ，研究人員表明，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)選擇可以顯著影響程序運(yùn)行的正確率，強(qiáng)調(diào)了考慮程序需求做出這些設(shè)計(jì)選擇的重要性。發(fā)現(xiàn)，供應(yīng)商對軟件可見門集的選擇會影響運(yùn)行程序所需操作數(shù)量和正確率。當(dāng)供應(yīng)商公開本機(jī)或基本操作時，TriQ可以顯著減少執(zhí)行一組程序指令所需的本機(jī)操作數(shù)量，并提高正確率。這表明，在量子計(jì)算機(jī)上，以一種類似于經(jīng)典系統(tǒng)的方式，通過設(shè)備或獨(dú)立于供應(yīng)商的ISA來屏蔽本機(jī)指令的所有知識還為時過早。

同時研究還發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用程序的通信需求和硬件連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的匹配至關(guān)重要。當(dāng)硬件只能支持少量通信操作的應(yīng)用程序時，應(yīng)用程序正確執(zhí)行的幾率通常更高。當(dāng)出現(xiàn)不匹配時，需要進(jìn)行大量的通信操作，應(yīng)用程序正確率就會受到影響。由于其開源軟件工具現(xiàn)在可以在github上使用，有可能為量子計(jì)算機(jī)軟件編譯提供重大的實(shí)際改進(jìn)，同時也為更廣泛地了解量子計(jì)算機(jī)硬件最有效的設(shè)計(jì)方法提供了機(jī)會。

?

博科園｜研究/來自：普林斯頓大學(xué)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的量子计算时代快了！量子计算机的架构，硬件，软件等都有成果！的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。