ВІДКРИТІ НАПРЯМИ В СТЕКУ КВАНТОВОГО ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ: ВІД NISQ ДО КВАНТОВОЇ КОРИСНОСТІ

Анотація

Покращення продуктивності квантових обчислень (QC) дозволить нам вирішувати широкий спектр складних проблем, з якими класичні комп’ютери сьогодні не можуть впоратися. Сьогодні ми відчуваємо себе ближчими до досягнення стану квантової корисності (QU), ніж будь-коли раніше. Як для академічних кіл, так і для бізнесу важливо розуміти поточний стан технологій та інструментів, точки їх розширення разом з алгоритмами оптимізації. Метою статті є надати структурований аналіз існуючого прогресу в сфері квантових обчислень. Вона слугує довідником щодо того, де очікується значний прогрес у найближчі роки, описує деталі інструментів для початку проведення експериментів і представляє еталонну архітектуру Проміжного Програмного Забезпечення Оптимізації Квантових Обчислень (QCOM) як основу, навколо якої в наступні роки очікуються нові будівельні блоки, наприклад, корпоративні з’єднувачі для певних галузей. У статті розглядається лише стек програмного забезпечення, не враховуючи можливості апаратного, оскільки вони не виглядають реалістичними на сьогодні. Все це у комбінації має допомогти вченим та інженерам визначити розумову модель того, як рухатися вперед, щоб досягти як середньострокових, так і довгострокових цілей щодо квантової корисності (QU).

Галузь квантових обчислень, яка включає апаратне забезпечення, програмне забезпечення, інструменти, алгоритми тощо, дуже складна в порівнянні з традиційними обчисленнями. База знань для галузі обмежена і в основному базується на дослідженнях і технічній документації кількох інструментів, створених лідерами галузі. Наступний прорив у квантових обчисленнях станеться на перетині алгоритмів (не алгоритмів високого рівня для вирішення конкретних проблем, скажімо, у галузі фізики, а алгоритмів на рівні стеку компіляції квантових обчислень) та існуючих інструментів (мов програмування, бібліотек програмного забезпечення або компіляторів). Ці мови програмування та компілятори мають знання про те, як маніпулювати фізичними кубітами на певному апаратному забезпеченні, переводити їх у віртуальні, виконувати виправлення помилок і надавати високорівневий інтерфейс, який приховує більшу частину складності, щоб забезпечити ефективну реалізацію квантових алгоритмів.

Існують хороші публікації про основи квантових обчислень та інструменти [1], публікації про те, що відбувається під час компіляції [2], дослідження продуктивності різних компіляторів разом із деталями інструменту, який дозволяє комбінувати кроки компіляції від різних виробників [3]. Крім того, дослідження, які показують алгоритми оптимізації розподілу кубітів [20], покращення виправлення помилок [16], тощо. Незважаючи на це, важко зробити висновок про те, як підхопити прогрес у перспективних напрямках і підходах для досягнення квантової корисності. Деталі інтерфейсів в інструментах, навколо яких можна спробувати оптимізувати продуктивність, не підсумовуються. Те саме для етапів рівня компіляції з детальною інформацією про потенційні переваги оптимізації кожної фази, разом з алгоритмами, які можуть сприяти прориву.

Дослідження змальовує картину поточного стану квантових обчислень, розглядаючи сучасні виклики та можливості, що виникають у галузі з точки зору програмного забезпечення. Концептуальна архітектура QCOM пропонується як основа реалізації програмного забезпечення для оптимізації, що охоплює різні рівні виконання квантового алгоритму від тривіальної оптимізації воріт до більш складного зіставлення кубітів, виправлення помилок і маніпуляцій з інструкціями на рівні апаратного забезпечення. Описано мотивацію оптимізації на кожному рівні разом із цікавими техніками, які в поєднанні можуть підвищити продуктивність найпопулярніших інструментів, таких як Qiskit. Аналіз допоміг визначити пріоритетні напрямки майбутніх досліджень на основі  нещодавнього прогресу в галузі, а також інструменти, які могли б допомогти досягти кращого контролю за виконанням алгоритмів. Запропонована еталонна архітектура QCOM спрямована на спрощення реалізації експериментів і перевірки гіпотез у галузі.

Ключові слова: квантові обчислення, квантова корисність, продуктивність квантового алгоритму, Проміжне Програмне Забезпечення для Оптимізації Квантових Обчислень, виправлення помилок, розподіл кубітів.