開發(fā)量子計(jì)算機(jī)的編譯器加速技術(shù) -通過概率方法將最佳門序列搜索時(shí)間縮短了很多- - 2024年5月9日 國立研究開發(fā)法人信息通信研究機(jī)構(gòu) 國立研究開發(fā)法人理化研究所 東京理科大學(xué) 東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科 重點(diǎn) 開發(fā)了一種新的編譯方法，用于生成由量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行的最佳序列 新方法基于概率搜索方法，大大縮短了搜索最佳序列的時(shí)間 在支持量子互聯(lián)網(wǎng)的量子節(jié)點(diǎn)上的量子信息處理也有望做出貢獻(xiàn)

國立研究開發(fā)法人信息通信研究機(jī)構(gòu)( nict nuai city，理事長:德田英幸)與國立研究開發(fā)法人理化學(xué)研究所(理事長:五神真)、東京理科大學(xué)(校長:石川正俊)、東京大學(xué)(總長:藤井輝夫)合作，首次成功開發(fā)出了用概率搜索方法快速搜索最適合量子計(jì)算機(jī)的量子門序列的技術(shù)。

要使量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行任務(wù)，必須使用編譯器將編程語言編寫的指令轉(zhuǎn)換為由向量子位的門控操作組成的序列。 我們將最優(yōu)控制理論( GRAPE算法)應(yīng)用于窮舉搜索，開發(fā)了確定理論上最優(yōu)的方法，但是隨著量子比特?cái)?shù)的增加，可能的組合數(shù)會(huì)爆發(fā)性地增加，所以不能進(jìn)行窮舉搜索。 例如，對(duì)于生成6個(gè)量子位的任意量子態(tài)的任務(wù)，如果要進(jìn)行全面的搜索以找到最佳的門序列，即使使用目前最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，也要比宇宙的年齡長。 因此，這次我們嘗試開發(fā)了通過概率方法搜索最佳量子門序列的方法，并成功了。 使用新的概率搜索方法，可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)搜索出針對(duì)上述問題的最佳量子門序列，并使用超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”進(jìn)行了驗(yàn)證和簡(jiǎn)化。 這種新方法有望加快量子計(jì)算機(jī)編譯器的速度，成為實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)有用工具和提高量子計(jì)算設(shè)備的性能。 另外，還可以應(yīng)用于量子中繼節(jié)點(diǎn)中的量子信息處理優(yōu)化，有望為實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)和降低環(huán)境負(fù)荷做出貢獻(xiàn)。 此外，本成果于2024年5月6日(星期一)刊登在美國科學(xué)雜志《Physical Review A》上。 背景量子計(jì)算機(jī)正在開發(fā)中，但有望對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。 應(yīng)用對(duì)象包括:實(shí)現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)和從能源方面對(duì)降低環(huán)境負(fù)荷的貢獻(xiàn)，以及加快醫(yī)用新化學(xué)物質(zhì)和為了更清潔的環(huán)境的材料探索等。 對(duì)量子計(jì)算機(jī)來說，一個(gè)主要的問題是量子態(tài)對(duì)噪聲非常敏感，很難長時(shí)間保持相干的量子態(tài)。 為了獲得最佳性能，必須在能夠相干地保持量子狀態(tài)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，但不知道如何找到在量子比特?cái)?shù)增加的情況下也有效的最佳門序列。 需要一種解決方案，即使在大規(guī)模量子計(jì)算的情況下，也能避免門序列組合呈爆炸式增長的困難，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可運(yùn)行的時(shí)間和計(jì)算資源范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的最優(yōu)門序列搜索。

圖1在每個(gè)柵極配置中使用GRAPE對(duì)所有配置進(jìn)行了使n個(gè)量子比特的狀態(tài)準(zhǔn)備的忠實(shí)度f最佳化的探索時(shí)的推測(cè)計(jì)算時(shí)間 藍(lán)線表示從宇宙開始到現(xiàn)在的時(shí)間( 137億年)。[點(diǎn)擊圖像放大顯示]

這次的成果

本研究小組引入概率搜索方法，開發(fā)了一種能夠在可行時(shí)間和計(jì)算資源范圍內(nèi)，有效搜索最優(yōu)量子門序列的系統(tǒng)方法。 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理信息時(shí)，所有信息都轉(zhuǎn)換為具有0或1值的位字符串。 把用人類能理解的語言記述的計(jì)算機(jī)程序變換為量子計(jì)算機(jī)能進(jìn)行信息處理的就是量子門序列(參照用語解說圖4 )。 量子門序列由1量子位門和2量子位門組成，但使用最少的門就能獲得高性能的序列是最佳序列。 圖1是使用對(duì)n個(gè)量子位的狀態(tài)準(zhǔn)備進(jìn)行最佳控制的理論算法GRAPE，對(duì)所有配置進(jìn)行了全面探索，使每個(gè)門配置的忠實(shí)度f最佳化時(shí)的估計(jì)計(jì)算時(shí)間。 藍(lán)線是從宇宙開始到現(xiàn)在的時(shí)間，也就是宇宙年齡( 137億年)。 隨著量子位數(shù)的增加，可能的組合數(shù)爆炸性地增加，所以n=6，總計(jì)算時(shí)間超過了宇宙的年齡。 通過對(duì)量子比特?cái)?shù)較少時(shí)所有可能序列的分析，表明存在許多最佳量子門序列(見補(bǔ)充資料圖5 )。 這暗示著如果使用概率搜索方法，即使不進(jìn)行全面的全數(shù)搜索，也有可能在短時(shí)間內(nèi)找到最佳的量子門序列。 圖2是用超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”調(diào)查的n=8個(gè)量子比特構(gòu)成的狀態(tài)準(zhǔn)備中用于最優(yōu)化的每個(gè)門配置的忠實(shí)度F=1的序列出現(xiàn)率，作為狀態(tài)準(zhǔn)備中使用的2量子比特門數(shù)( n )的函數(shù)表示的圖。 如果超過理論的n的下限( N=124 ) (參照補(bǔ)充資料表1 )，F(xiàn)=1的出現(xiàn)率會(huì)急劇上升，因此概率搜索方法非常有效。 例如，在稍微超過N=124的N=129下F=1的出現(xiàn)率超過50%，如果對(duì)每個(gè)澆口配置進(jìn)行兩次搜索，則平均可以得到一次以上F=1的最佳子序列。 這樣，發(fā)現(xiàn)如果使用概率方法，與用窮舉方法搜索的情況相比，可以在短得多的時(shí)間內(nèi)搜索F=1的最佳子序列。

圖2是用超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”調(diào)查的n=8個(gè)量子比特構(gòu)成的狀態(tài)準(zhǔn)備中用于最優(yōu)化的每個(gè)門配置的忠實(shí)度F=1的序列出現(xiàn)率，作為狀態(tài)準(zhǔn)備中使用的2量子比特門數(shù)( n )的函數(shù)表示的圖。 如果超過理論的n的下限( N=124 ) (參照補(bǔ)充資料表1 )，F(xiàn)=1的出現(xiàn)率會(huì)急劇上升，因此概率搜索方法非常有效。 例如，在稍微超過N=124的N=129下F=1的出現(xiàn)率超過50%，如果對(duì)每個(gè)澆口配置進(jìn)行兩次搜索，則平均可以得到一次以上F=1的最佳子序列。 這樣，發(fā)現(xiàn)如果使用概率方法，與用窮舉方法搜索的情況相比，可以在短得多的時(shí)間內(nèi)搜索F=1的最佳子序列。 今后的展望

此次開發(fā)的為量子計(jì)算機(jī)提供最佳量子門序列的系統(tǒng)概率搜索方法，作為量子計(jì)算機(jī)編譯器的高速化等實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)的有用工具，將在不久的將來提高量子計(jì)算設(shè)備的性能(參照?qǐng)D3 ) 今后，本研究小組將在此次取得的成果中綜合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，以最佳量子門序列的數(shù)據(jù)庫化為目標(biāo)，以量子編譯器處理的高速化為目標(biāo)，應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)的性能優(yōu)化。

圖3改善量子計(jì)算機(jī)性能 (概念圖) 量子計(jì)算機(jī)的相干性隨著時(shí)間的推移而降低。 如果相干性過低，量子計(jì)算機(jī)的信息就沒有意義了。 通過優(yōu)化量子計(jì)算機(jī)的操作，可以在量子相干性低于有用閾值之前處理更多的信息。 [點(diǎn)擊圖像放大顯示] 各機(jī)構(gòu)的職責(zé)分工 信息通信研究機(jī)構(gòu):研究思路、運(yùn)用概率搜索方法和GRAPE算法進(jìn)行分析、撰寫論文 理化研究所:構(gòu)思研究，編寫和分析超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”用程序代碼，推敲論文 東京理科大學(xué):研究思路、關(guān)于分析結(jié)果和解釋的討論、論文推敲 東京大學(xué):研究思路、關(guān)于解析結(jié)果和解釋的討論、論文推敲 論文信息 刊登雜志: Physical Review A doi:10.1103/phys reva.109.052605 URL:https://link.APS.org/doi/10.1103/phys reva.109.052605 論文名稱: quantum circuit synthesis via a random combinatorial search 作者: Sahel Ashhab，F(xiàn)umiki Yoshihara，Miwako Tsuji，Mitsuhisa Sato，and Kouichi Semba 另外，本研究的一部分是文部科學(xué)省光量子跳躍旗艦程序( Q-LEAP )“基于智力量子設(shè)計(jì)的量子軟件研究開發(fā)與應(yīng)用”( JPMXS0120319794 )及JST共創(chuàng)的場(chǎng)形成支援程序“可持續(xù)量子AI研究據(jù)點(diǎn)( stage ) 另外，本研究成果的一部分是利用理化學(xué)研究所的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”得到的。 補(bǔ)充資料 關(guān)于這次開發(fā)的概率搜索方法的有效性 目前為止的方法是分析基本量子門的所有可能序列，并利用最優(yōu)控制理論算法GRAPE找出每個(gè)量子門序列所需的最優(yōu)參數(shù)。 圖5顯示了作為構(gòu)想這次研究的原點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 在該任務(wù)中，當(dāng)使用的雙量子位門數(shù)n小于6時(shí)，不存在能夠達(dá)到保真度F=1的序列，隨著逼近F=1，近似解的存在比例減少。 當(dāng)N=6時(shí)，可以達(dá)到保真度F=1的序列首次出現(xiàn)，表明該比例也存在所有可能的量子門序列的20% (圖5右端1-F=10-12的峰值)。

圖5使用2量子位的CNOT門作為量子糾纏門針對(duì)4量子位的量子狀態(tài)準(zhǔn)備問題生成的狀態(tài)的忠實(shí)度f值的直方圖 x軸使用對(duì)數(shù)表示，擴(kuò)大接近F=1的區(qū)域，使識(shí)別該區(qū)域的直方圖變得容易。 虛線(藍(lán))、虛線(綠)、實(shí)線(紅)分別對(duì)應(yīng)于2量子比特位數(shù)N=4、5、6。 1?F=10-12的峰包含給定1?F<10-12的所有結(jié)果，表明在N=6的條件下，對(duì)于所有可能的結(jié)果存在20%。 表1表示，針對(duì)本次研究中探索的在n量子位系中生成量子狀態(tài)的任務(wù)，量子電路的尺寸、可能的門電路配置總數(shù)以及每個(gè)門電路配置的計(jì)算時(shí)間的推測(cè)值的比較。 表1量子電路尺寸、可能的柵極配置總數(shù)及每個(gè)柵極配置的計(jì)算時(shí)間的推測(cè)值的比較 計(jì)算時(shí)間是我們計(jì)算環(huán)境中固有的值。 直到n=4為止，各計(jì)算都在一個(gè)CPU核上執(zhí)行，在n≥5的情況下，在約10個(gè)CPU核上執(zhí)行。 到n≦7的計(jì)算在工作站上執(zhí)行，n=8的計(jì)算在超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”上執(zhí)行。 表中“CNOT門數(shù)”的含義是為了得到保真度F=1所需的最低限度的CNOT門數(shù)。

用語解說 量子門序列 一組指令，指定要對(duì)多個(gè)量化位執(zhí)行的選通操作的步驟。 水平方向上的六條藍(lán)線表示6個(gè)量化比特，左側(cè)表示輸入，右側(cè)表示輸出。 從左到右依次執(zhí)行。 紅色方塊表示1量子位門，連接2條藍(lán)線的綠色豎線表示2量子位門。 量子門序列由1量子位門和2量子位門組成，最佳序列是具有最少門數(shù)(紅色方塊數(shù)、綠色豎線數(shù)最少)、高性能的序列。

圖4量子門序列(概念圖) 隨機(jī)搜索方法 隨機(jī)選擇候補(bǔ)解，通過判定是否是解來得到解的方法。 存在大量解的情況下，概率論的方法比分析所有候選解的方法有可能發(fā)揮更好的性能。 閘口 對(duì)1位或2位信息執(zhí)行的簡(jiǎn)單操作。 近幾年的一些研究已經(jīng)提出了改進(jìn)的方法(食譜)以建立執(zhí)行各種量子任務(wù)的量子門序列。 但是，在這些食譜中，并不總是能得到最短的量子門序列。 圖形 梯度輔助脈沖工程的簡(jiǎn)稱。 利用最優(yōu)控制理論原理，找到以指定方式控制量子系統(tǒng)的最優(yōu)脈沖的數(shù)值算法。 將最優(yōu)控制理論( GRAPE算法)應(yīng)用于窮舉搜索，開發(fā)了確定理論上最優(yōu)的方法 2022年9月1日發(fā)表報(bào)道 開發(fā)了系統(tǒng)地找到最適合量子計(jì)算機(jī)的量子運(yùn)算序列的方法 https://www.nict./press/2022/09/01-1.html 忠實(shí)度F(Fidelity ) 兩個(gè)量子態(tài)的“近”度量。 表示一個(gè)量化狀態(tài)通過被標(biāo)識(shí)為其他量化狀態(tài)的測(cè)試的概率。 如果兩個(gè)量化態(tài)相同，則它們之間的保真度等于1 ( f =1)。 為了作為兩個(gè)酉算子的“近”的尺度使用，也被一般化使用。 得到F=1的雙量子比特位數(shù)的理論下限 為了獲得保真度F=1，量子門序列所需的最低CNOT門數(shù)量。 由于量子比特?cái)?shù)( n )增加，并且能夠表現(xiàn)的狀態(tài)的參數(shù)增加，所以如補(bǔ)充資料表1的“CNOT門數(shù)”欄那樣增加。 CNOT門是雙量子比特門的一種。 僅在第一個(gè)量化位(控制量化位)為| 1時(shí)，用于反轉(zhuǎn)第二個(gè)量化位(目標(biāo)量化位)狀態(tài)。 量子相干性 介于0和1之間的數(shù)字，表示信息因設(shè)備噪聲或其他缺陷而惡化的程度。 最初創(chuàng)建信息時(shí)，量子相干性等于1。 如果量化相干性等于0，則意味著原始信息完全丟失。 最近，構(gòu)建了包含數(shù)百個(gè)量子位的中等規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)。 雖然這些量子計(jì)算機(jī)被證實(shí)使用量子力學(xué)的原理也超越了現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力，但是由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部噪聲的影響，無法維持相干的量子狀態(tài)，所需的信息逐漸丟失。 如何應(yīng)對(duì)這個(gè)問題是重要的課題。 關(guān)于這件事的咨詢方式 國立研究開發(fā)法人信息通信研究機(jī)構(gòu) 未來ICT研究所 小金井前沿研究中心 量子ICT研究室 阿什哈卜·薩赫爾 e-mail:ash hab at mark nict. 理化研究所計(jì)算科學(xué)研究中心 量子HPC軟件環(huán)境開發(fā)單元 辻美和子 e-mail:mi Wako.tsuji at mark riken.jp 東京理科大學(xué) 理學(xué)部第一部物理學(xué)科 吉原文樹 e-mail:fumiki at mark RS.tus.AC.jp 東京大學(xué) 研究生理學(xué)系研究科 附屬光子科學(xué)研究機(jī)構(gòu) 仙場(chǎng)浩一 E-mail: semba阿特標(biāo)記ipst.s.u-tokyo.ac.jp 宣傳(接受采訪) 國立研究開發(fā)法人信息通信研究機(jī)構(gòu) 公關(guān)部新聞辦公室 e-mail:publicity at mark nict. 國立研究開發(fā)法人理化研究所 宣傳室新聞發(fā)言人 e-mail:ex-press at mark ml.riken.jp 東京理科大學(xué) 宣傳科 E-mail: koho阿特馬克admin.tus.ac.jp 東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科理學(xué)部 宣傳室 E-mail: media.s阿特標(biāo)記gs.mail.u-tokyo.ac.jp