芝加哥大學(xué)研究人員的一篇新論文介紹了一種編譯高度優(yōu)化的量子指令的技術(shù)，該指令可以在最新的硬件上執(zhí)行。這種技術(shù)特別適用于一類新的可變分量子算法，它是證明有用的量子加速的一個(gè)有希望的候選者。這項(xiàng)新工作是通過跨堆棧、量子算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、編譯器和設(shè)備物理的思想統(tǒng)一來實(shí)現(xiàn)的?？鐚W(xué)科研究是由國家科學(xué)基金會(huì)計(jì)算探險(xiǎn)隊(duì)EPiQC(支持真實(shí)尺度量子計(jì)算)進(jìn)行的。

適應(yīng)量子算法的新范式

量子算法最初的設(shè)想可以追溯到20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家理查德費(fèi)曼提出，只有數(shù)千個(gè)無噪聲的量子比特(qubit)才能用來進(jìn)行分子模擬，這對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說幾乎是不可能的。上世紀(jì)90年代和2000年代開發(fā)的其他算法表明，數(shù)千個(gè)無噪聲量子位也將為解決數(shù)據(jù)庫搜索、整數(shù)分解和矩陣代數(shù)等問題提供顯著的加速。然而，盡管量子硬件最近取得了進(jìn)展，但這些算法距離可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)還有幾十年的時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)前的硬件有噪聲量子位。

為了匹配當(dāng)前和最近的量子計(jì)算機(jī)的約束，最近出現(xiàn)了可變分量子算法的新例子。這些算法解決了類似于原始量子算法的計(jì)算問題，但通過不指定一些內(nèi)部程序參數(shù)來增強(qiáng)對(duì)噪聲的適應(yīng)性。而是在優(yōu)化程序的指導(dǎo)下，通過試錯(cuò)來學(xué)習(xí)這些內(nèi)部參數(shù)。使用強(qiáng)大的優(yōu)化器，變分算法可以容忍中等噪聲。

變分算法的抗噪聲能力雖然吸引人，但也給編譯帶來了挑戰(zhàn)，編譯是將數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)化為物理指令，最終由硬件執(zhí)行的過程。

UChicago的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Fred Chong和Seymour Goodman教授說：“變分算法和傳統(tǒng)量子算法之間的權(quán)衡是，雖然變量的數(shù)量很便宜，但所需的重復(fù)次數(shù)很昂貴?！必?fù)責(zé)工程質(zhì)量控制的項(xiàng)目集成。“雖然傳統(tǒng)的量子算法在執(zhí)行時(shí)已經(jīng)被完全指定，從而可以完全優(yōu)化預(yù)執(zhí)行，但變體程序在執(zhí)行時(shí)只被部分指定?！?

部分編譯

研究人員使用一種稱為部分編譯的并行技術(shù)來解決一些特定程序的問題。芝加哥大學(xué)的博士生Pranav Gokhale解釋說：“雖然我們不能在執(zhí)行之前完全編譯變分算法，但我們至少可以預(yù)編譯指定的部分。”對(duì)于典型的變分算法，這種簡單的啟發(fā)式方法就足夠了。與標(biāo)準(zhǔn)的基于門的編譯技術(shù)相比，它在量子運(yùn)行時(shí)的速度提高了2倍。由于量子比特隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，這種運(yùn)行時(shí)加速也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤率的降低。

對(duì)于更復(fù)雜的算法，研究人員應(yīng)用了第二層優(yōu)化，通過一個(gè)稱為超參數(shù)優(yōu)化的過程，對(duì)未指定參數(shù)引起的變化進(jìn)行數(shù)值表征。Gokhale總結(jié)道：“花幾分鐘時(shí)間進(jìn)行超參數(shù)調(diào)整和部分編譯可以節(jié)省幾個(gè)小時(shí)的執(zhí)行時(shí)間?！辩娊淌谥赋?，主題是通過轉(zhuǎn)移資源來節(jié)省成本(無論是在傳統(tǒng)計(jì)算和量子計(jì)算之間，還是在編譯和執(zhí)行之間)，其他幾個(gè)EPiQC項(xiàng)目也是如此。

研究人員的下一個(gè)目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)證明他們的工作。隨著可以在模擬脈沖水平上控制的云可訪問量子計(jì)算機(jī)的發(fā)布，這種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證直到最近才成為可能。這種控制水平比標(biāo)準(zhǔn)的基于門的控制更接近硬件，研究人員希望通過這種脈沖接口實(shí)現(xiàn)更高的效率增益。

該研究人員的論文“有噪聲的中型量子機(jī)器的變分算法的部分編譯”(arXiv Link)將于10月14日在俄亥俄州哥倫布市的MICRO Computer Architecture會(huì)議上發(fā)表。高可樂和鐘的合著者包括丁永山、湯瑪斯普森、克里斯托弗溫克勒、梁朝偉、史、大衛(wèi)舒斯特和亨利霍夫曼，他們都來自芝加哥大學(xué)。