Dentro brevemente
- No estudo, os cientistas da Classiq mostram como a abordagem inspirada na EDA reduz os requisitos de qubit e qubit-gate em ordens de magnitude, uma etapa que a equipe escreve pode tornar sistemas quânticos complexos acessíveis para aplicações do mundo real.
- O mecanismo de integração otimiza dinamicamente algoritmos quânticos extraindo modelos funcionais de alto nível, permitindo flexibilidade em diversas configurações e restrições de hardware.
- Ao combinar uma melhor gestão de recursos e adaptabilidade, esta abordagem poderia acelerar enormemente o impacto da computação quântica em áreas como a química, as finanças e a aprendizagem automática.
Num comunicado de imprensa recente, a Classiq Technologies, o Deloitte Tohmatsu Group e a Mitsubishi Chemical Corporation partilharam recentemente como estão a utilizar a computação quântica para acelerar o desenvolvimento de materiais avançados, como novos materiais orgânicos eletroluminescentes (EL). O esforço foi focado na otimização de algoritmos quânticos para melhorar a velocidade computacional.
Um estudo recente postado no servidor de pré-impressão arXiv por pesquisadores da Classiq pode ajudar a fornecer uma visão mais aprofundada de como esse método de desenvolvimento de software quântico realmente funciona. Baseando-se nos princípios da automação de projeto eletrônico (EDA) – uma série de ferramentas de software que permitem aos projetistas criar descrições de circuitos de alto nível otimizadas automaticamente para uso físico – o estudo mostra como uma abordagem de escala semelhante pode reduzir significativamente os requisitos de recursos de um complexo computador quântico. planos.
Da mesma forma, no artigo, os pesquisadores relatam que seu método se baseia na separação do design abstrato dos algoritmos quânticos de sua implementação física, o que basicamente significa desenvolver algoritmos quânticos em um nível superior para permitir que o software se adapte automaticamente a vários sistemas físicos.
Segundo a equipe, esse método supera diversas ferramentas disponíveis atualmente em seus testes. Eles relatam uma melhoria de ordem de grandeza na redução dos requisitos computacionais, como o número de qubits e portas de dois qubits, e mostram como sua abordagem é dimensionada com grandes algoritmos do mundo real. Caso contrário, isso representaria um avanço significativo na redução da lacuna entre o desenvolvimento do hardware quântico e o software necessário para aproveitar o seu potencial.
A investigação argumenta que os métodos existentes, que mostram explicações de alto nível sobre hardware específico, são demasiado rígidos e não conseguem lidar eficazmente com a crescente complexidade dos sistemas quânticos. Sua abordagem, por outro lado, se adapta dinamicamente às restrições de hardware e às metas de otimização definidas pelo usuário, como a redução do uso da porta ou da largura do circuito.
Modelos Funcionais de Alto Nível
O método Classiq utiliza modelos funcionais de alto nível para descrever o comportamento desejado de um sistema quântico, incluindo restrições e critérios de otimização. Dessa forma, de forma simples, os programadores estabelecem metas e regras, como minimizar o consumo de recursos, deixando a complexa tarefa de obter especificações de software. É como dar ao arquiteto uma ideia geral do edifício e deixá-lo cuidar dos detalhes de engenharia.
Um exemplo que foi testado foi um algoritmo de caminhada quânticaque, segundo o artigo, é um princípio fundamental na computação quântica utilizada em tarefas de busca e simulação. O estudo mostrou como o mecanismo de síntese do Classiq escolheu entre diferentes implementações da mesma tarefa, otimizando a alocação de recursos como qubits auxiliares. Esta flexibilidade resultou em contagens de portas significativamente mais baixas em comparação com as plataformas existentes.
Em um caso, os pesquisadores aplicaram seu método a um Transformação Quântica de Valor Singular (QSVT)uma técnica usada em simulação e aprendizado de máquina quântica. Ao ajudar a selecionar blocos de construção eficientes, o mecanismo de compilação obteve economias de recursos que não seriam possíveis usando a composição manual ou os compiladores existentes.
Como pode ser usado?
Este desenvolvimento pode ser uma grande ajuda no cenário do software quântico, sugere a equipe. À medida que o hardware quântico se torna mais poderoso, o software que pode corresponder a essa complexidade torna-se essencial. A abordagem inspirada na EDA apresentada neste estudo abrirá caminho para aplicações práticas da computação quântica em áreas como química, finanças e aprendizado de máquina.
A equipe vai além, dizendo que sem ferramentas como essas o poder de superar os computadores antigos não seria o mesmo.
“Construir uma tecnologia de software poderosa e escalável para o projeto de algoritmos quânticos é um passo importante em direção a qualquer vantagem lógica quântica significativa”, escreveram os pesquisadores.
Ao melhorar a capacidade do software de se adaptar a diversas configurações e restrições de hardware, o método também melhora a acessibilidade, tornando a computação quântica mais utilizável por engenheiros em diversos setores. Isto pode reduzir as barreiras de entrada para empresas que desejam explorar a tecnologia quântica.
Limitações
O estudo observa que muitos desafios permanecem.
“Embora tenhamos lançado as bases do conceito de síntese baseado em EDA e o fortalecido com uma plataforma de software padrão da indústria, ainda há muito a ser feito”, escreveram os pesquisadores.
Entre os próximos passos, a equipe aponta que eles precisarão abordar completamente como seu sistema lida com os requisitos de precisão de dispositivos quânticos de escala intermediária ruidosos (NISQ), onde a medição da precisão e das taxas de erro será um próximo passo importante. Embora a pesquisa tenha se concentrado na otimização de condições específicas, como cálculo de portas ou largura de circuito, ela não examinou o software subjacente e os processos de correção de erros – um aspecto importante dos futuros sistemas de computação quântica.
Outra limitação é a dependência de bibliotecas existentes na implementação da função. Embora estas bibliotecas facilitem a flexibilidade, a abordagem depende da qualidade e do âmbito das funções disponíveis, o que pode limitar a sua aplicabilidade a domínios altamente especializados.
Direções futuras
Os pesquisadores destacaram várias áreas para trabalhos futuros, incluindo:
- Gerenciando a precisão: Distribua automaticamente requisitos de precisão entre componentes do sistema para melhorar o desempenho em dispositivos NISQ.
- Co-Design com Erro Corretivo: Combinando design de programa de lógica quântica com códigos de correção de erros para melhorar a computação tolerante a falhas.
- Sistemas Híbridos Quânticos-Clássicos: Estendendo seu mecanismo de integração para lidar com algoritmos quânticos e clássicos mistos com facilidade.
O caminho a seguir
À medida que a computação quântica se aproxima das aplicações industriais, a necessidade de ferramentas de software robustas e eficientes aumentará. A abordagem inspirada na EDA proposta pela Classiq pode servir como um modelo para desenvolvimentos futuros na pilha de software quântico, fornecendo um caminho para soluções mais realistas e escaláveis.
Mais detalhadamente, os investigadores escrevem que esta tecnologia poderia mudar o foco do desenvolvimento de software quântico das restrições de hardware para o design funcional, libertando o potencial da computação quântica para uma vasta gama de aplicações.
Para obter mais detalhes sobre a abordagem do Classiq, um artigo sobre o arXiv pode fornecer uma visão mais técnica do trabalho. É importante lembrar que os servidores publicados anteriormente não foram formalmente revisados por pares, mas serviram como uma forma de os cientistas obterem feedback não estruturado rapidamente, especialmente na indústria quântica em rápida evolução.
A equipe Classiq neste artigo inclui: Tomer Goldfriend, Israel Reichental, Amir Naveh, Lior Gazit, Nadav Yoran, Ravid Alon, Shmuel Ur, Shahak Lahav, Eyal Cornfeld, Avi Elazari, Peleg Emanuel, Dor Harpaz, Tal Michaeli, Nati Erez, Lior Preminger, Roman Shapira, Erik Michael Garcell, Or Sammi, Sara Kisch, Gil Hallel, Gilad Kishony, Vincent van Wingerden, Nathaniel A. Rosenbloom, Ori Ofer, Matan Vax, Ariel Smoler, Tamuz Danzig, Eden Schirman, Guy Sella, Ron Cohen, Roi Garfunkel, Tali Cohn, Hanan Rosemarin, Ron Hass, Klem Jankiewicz, Karam Gharra, Ori Roth, Barak Azar, Shahaf Asban, Natalia Linkov, Dror Segman, Ohad Sahar, Niv Davidson, Nir Minerbi e Yehuda Naveh.
