Группа ученых разработала алгоритм непрерывной оценки характеристик (бенчмаркинга) функционирования квантового процессора. Такой подход не требует запуска отдельных процедур и алгоритмов, использует уже доступные данные из реализованных схем и значительно экономит вычислительное время квантового процессора. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Applied.
Концепции работы квантового процессора и системы мониторинга. Источник: Zolotarev et al. / Phys. Rev. Applied, 2023
Идея квантовых технологий состоит в использовании микроскопических объектов для решения различных практических задач, например, высокопроизводительных вычислений, защищенной передачи информации и высокоточного измерения параметров окружающей среды. Квантовые вычисления позволяют выполнять сложнейшие процедуры во множестве областей — от обработки информации и развития машинного обучения до моделирования и управления сложными системами. Однако в настоящее время большой проблемой остается то, что квантовые устройства сильно подвержены влиянию шумов.
В отличие от классических вычислений, где единицей информации является бит (принимает значение либо 0, либо 1), в квантовых процессорах оперируют кубитами. Это квантовое обобщение бита: кубит способен принимать не только оба состояния (0 и 1) одновременно, но и огромное множество промежуточных значений.
Шумы – это нестабильность или помехи, возникающие из-за того, что кубиты не изолированы от своего окружения и взаимодействуют с ним. Из-за шумов параметры квантовых компьютеров существенно ухудшаются со временем, что ограничивает возможности квантовых вычислительных устройств. Эта проблема обычно решается путем калибровки квантовых процессоров. Такие алгоритмы увеличивают время вычислений или требуют остановки рабочего процесса. Чем больше будет потребность в квантовых вычислительных устройствах, тем актуальнее станет проблема разработки новых методов калибровки квантовых процессоров, поскольку нагрузка на квантовые процессоры возрастет.
Ученые из Российского квантового центра (Москва) и Университета МИСИС (Москва) разработали новый алгоритм мониторинга характеристик базовых элементов квантового процессора, позволяющий получать достаточно точные оценки их поведения на основе анализа информации, полученной после запуска пользовательских цепочек. Алгоритм прошел проверку как на искусственно сгенерированных данных, полученных из квантового эмулятора, так и на экспериментальных данных, собранных из общедоступного облачного квантового процессора.
Главная особенность разработанной системы по сравнению с другими методами бенчмаркинга заключается в том, что она не заимствует дополнительное вычислительное время у квантового процессора: все оценки состояния квантовых процессоров делаются на основе запускаемых пользователями квантовых цепочек. Использование предлагаемого метода позволит значительно сократить ресурсы, необходимые для их бенчмаркинга и калибровки. Система мониторинга максимально задействует уже доступные данные из реализованных квантовых алгоритмов без необходимости запуска дополнительных процедур.
«Мы протестировали разработанную систему с использованием искусственно созданных и экспериментальных данных, полученных путем запуска схем на 5-кубитном сверхпроводящем квантовом процессоре, который доступен через облако. В случае реальных данных от процессора мы видели, что результаты мониторинга довольно хорошо согласуются с результатами, полученными от специально запущенной калибровки. Можно сделать вывод, что разработанная система успешно справляется с поставленными задачами. Другим важным аспектом является независимость разрабатываемых методов для мониторинга и контроля операций от конкретной физической реализации кубитов данного процессора. Это могут быть как сверхпроводниковые технологии, так и ионы в ловушках, ультрахолодные атомы, фотоны и так далее», — комментирует руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Киктенко, кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.
Разрабатываемые методы должны позволить осуществлять сбор информации о состоянии квантовых процессоров «на лету» (on-the-fly), основываясь исключительно на данных о запускаемых алгоритмах (независимо разрабатываемых пользователями) и получаемых результатах (распределениях результатов финальных измерений).
Разработка систем мониторинга и бенчмаркинга квантовых процессоров является одной из ключевых задач Дорожной карты по развитию квантовых вычислений в Российской Федерации, за реализацию которой отвечает ГК «Росатом».
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
