Dentro brevemente
- Os pesquisadores desenvolveram o CiFold, um sistema baseado em gráfico que reduz a sobrecarga de recursos quânticos em até 799,2%, permitindo cálculos quânticos maiores no hardware atual.
- CiFold identifica e dobra dinamicamente padrões repetitivos em circuitos quânticos, melhorando o desempenho e a eficiência em comparação com os métodos existentes.
- Usando computação quântica híbrida clássica, o CiFold avança na escalabilidade da computação quântica, abrindo caminho para aplicações em criptografia, ciência de materiais e aprendizado de máquina.
As limitações dos computadores quânticos atuais retardaram suas aplicações.
Agora, os pesquisadores desenvolveram o CiFold, um sistema que reduz a sobrecarga de recursos quânticos em até 799,2%, fornecendo uma maneira possível de executar grandes algoritmos quânticos no hardware existente.
O estudo, publicado no servidor de pré-impressão arXiv, aborda um grande desafio na computação quântica: a incapacidade dos atuais dispositivos Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) de processar grandes circuitos quânticos. CiFold usa um processo chamado tricô de circuito, que divide grandes circuitos quânticos em subcircuitos menores, tornando-os compatíveis com os recursos limitados do hardware quântico atual. Ao introduzir uma estrutura baseada em gráficos, o CiFold melhora esse processo, identificando padrões repetidos em circuitos quânticos, dobrando-os ordenadamente e direcionando sua separação com algoritmos avançados, de acordo com uma equipe da Universidade Fordham, da Universidade de Washington e do Stevens Institute of Technology. .
Descobertas e implicações
Os circuitos quânticos, a base da computação quântica, requerem recursos de hardware significativos. As máquinas atuais, com contagens de qubits variando de 50 a 150, enfrentam grandes contagens devido ao ruído e à potência limitada. O ruído, causado por distúrbios naturais e desempenho imperfeito do qubit, aumenta os erros nos cálculos quânticos, limitando a confiabilidade algorítmica. As técnicas de correção de erros estão em desenvolvimento, mas permanecem computacionalmente caras e difíceis de escalar.
O CiFold aborda diretamente esses desafios, identificando e dobrando padrões repetidos no nível qubit, reduzindo efetivamente a carga sobre um recurso quântico, de acordo com os pesquisadores. Ao contrário dos métodos anteriores que tratavam os circuitos como entidades monolíticas, o método modular do CiFold decompõe os circuitos em componentes gerenciáveis, reduzindo drasticamente os recursos quânticos necessários para a implementação. Testes em vários algoritmos quânticos, incluindo Quantum Fourier Transform e Grover's Search, mostraram que o CiFold supera consistentemente os métodos existentes. Num caso, o sistema reduziu a sobrecarga de um recurso quântico em quase 800%, mantendo a precisão computacional.
As implicações destas descobertas vão além da eficiência técnica.
“Nosso sistema foi extensivamente testado em vários algoritmos quânticos, alcançando uma redução de 799,2% no consumo de recursos quânticos, demonstrando sua robustez e melhorias significativas de desempenho em relação aos métodos de última geração”, escreveram os pesquisadores.
Eles também sugerem que o método poderia acelerar o progresso em campos onde a computação quântica promete ser significativamente mais rápida do que os métodos clássicos.
Eles acrescentam: “Esta abordagem híbrida é crítica para tornar os dispositivos quânticos atuais mais eficientes e eficazes, permitindo o progresso em campos como aprendizado de máquina, química e criptografia, onde uma combinação de recursos quânticos e clássicos é necessária para soluções de curto prazo”.
Como fazer
CiFold usa uma abordagem baseada em gráficos para gerenciamento de circuitos quânticos, uma abordagem projetada para otimizar o uso de circuitos muito grandes nos processadores quânticos atuais. Os estados quânticos são representados como gráficos, com nós correspondentes às portas e bordas das junções de qubits. O programa analisa esses gráficos para encontrar estruturas repetidas, que são então resumidas em metagráficos simplificados.
Esta técnica de convolução reduz a carga computacional ao detectar redundância na sequência de portas. Por exemplo, muitos algoritmos quânticos contêm operações repetidas, como sequências de Hadamard e portas Controlled-NOT. CiFold identifica esses padrões no nível do qubit, combina-os e os trata como uma única unidade durante a execução.
Uma vez dobrados, os circuitos são divididos em subcircuitos menores, que podem ser implementados no hardware quântico existente. Os computadores nunca podem ignorá-lo e reconstruir os resultados combinando os resultados destes resultados menores. Este método híbrido reduz o número de execuções de subcircuitos necessárias, melhorando a eficiência em comparação com métodos de tecelagem convencionais, como FitCut e Qiskit-Addon-Cutting.
Uma das inovações do CiFold é a identificação flexível das áreas de corte. Os métodos anteriores dependiam de propriedades predefinidas dos circuitos de isolamento, limitando a sua flexibilidade. A análise baseada em gráficos do CiFold se adapta à estrutura de cada circuito, garantindo que o processo de classificação seja otimizado para o hardware quântico disponível.
Desafios e Limitações
Existem desafios com a nova estratégia, diz o jornal. O sistema depende de algoritmos avançados de processamento de gráficos, que requerem grandes quantidades de poder de processamento primitivo. Embora este método seja eficiente em comparação com os métodos existentes, ainda envolve um compromisso entre recursos clássicos e quânticos. A reconstrução de efeitos clássicos, embora menos dispendiosa do que a utilização de grandes circuitos quânticos, ainda pode ser um gargalo para algoritmos mais complexos.
O desempenho do CiFold também está ligado aos padrões estruturais dos circuitos de entrada. Algoritmos com menos modularidade inerente podem não obter o mesmo nível de ganhos de desempenho. Isso significa que, embora o CiFold seja excelente em algoritmos como a Transformada Quântica de Fourier, que envolve estruturas regulares e iterativas, ele pode não funcionar bem para algoritmos altamente irregulares ou não modulares.
Os pesquisadores relatam restrições práticas na integração de hardware. Os dispositivos quânticos atuais têm conectividade limitada de qubits e níveis de ruído que variam entre os qubits. Embora o CiFold leve em conta essas limitações, seu desempenho é altamente dependente da confiabilidade e da precisão do hardware subjacente.
Direções futuras
A equipe pretende integrar o CiFold em um fluxo de trabalho clássico quântico mais amplo, permitindo potencialmente a implementação perfeita de grandes algoritmos quânticos. Trabalhos futuros também explorarão a otimização de arquiteturas emergentes de hardware quântico com altas contagens de qubits e baixos níveis de ruído.
Outro método de desenvolvimento envolve o refinamento do antigo processo de reconstrução do sistema. Embora o CiFold use atualmente algoritmos avançados para combinar resultados de subcircuitos, otimizações adicionais podem reduzir o custo computacional e melhorar a precisão. Os pesquisadores também estão investigando maneiras de combinar o CiFold com técnicas quânticas de correção de erros, criando potencialmente uma estrutura unificada para redução de erros e otimização de recursos.
Os pesquisadores prevêem que o CiFold se tornará uma ferramenta padrão no kit de ferramentas de computação quântica. Ao permitir cálculos em grande escala no hardware limitado de hoje, o CiFold pode acelerar o desenvolvimento de algoritmos quânticos para aplicações do mundo real. Indústrias como a medicina, as finanças e a ciência dos materiais beneficiarão desta tecnologia, à medida que os computadores quânticos se tornam cada vez mais capazes de resolver problemas fora do alcance dos sistemas clássicos.
Implicações mais amplas
A pesquisa enfatiza a importância dos métodos quânticos clássicos combinados no desenvolvimento da computação quântica. Ao usar a computação clássica para ampliar o poder dos dispositivos quânticos, técnicas como o CiFold aproximam o campo da solução de problemas do mundo real.
Como observam os pesquisadores, a abordagem modular do CiFold está alinhada com a tendência mais ampla de aumento da robustez na computação quântica. Ferramentas como o CiFold não apenas ultrapassam os limites do que é possível com o hardware atual, mas também estabelecem as bases para a próxima geração de tecnologia quântica.
O desenvolvimento – se for comprovado – é oportuno, chegando num momento crucial para a computação quântica, quando investigadores e empresários estão dispostos a escalar estes dispositivos. À medida que o hardware quântico avança, a necessidade de sistemas de middleware eficientes, como o CiFold, pode aumentar, garantindo que a computação quântica possa atender às necessidades das aplicações comerciais e científicas.
Um artigo pré-impresso, o que significa que o trabalho não foi formalmente revisado por pares, é altamente técnico. Se você tiver perguntas mais aprofundadas do que este artigo de resumo, leia o artigo aqui.
A equipe de pesquisa por trás do desenvolvimento do CiFold inclui Shuwen Kan, Yanni Li e Ying Mao da Fordham University em Nova York; Hao Wang, do Stevens Institute of Technology em Hoboken, Nova Jersey; e Sara Mouradian, da Universidade de Washington, em Seattle.
