Το CCC δημοσιεύει ενημερωμένη έκθεση σχετικά με τις προόδους στον κβαντικό υπολογισμό

By | March 8, 2024

Το Computing Community Consortium (CCC) δημοσίευσε μια ενημερωμένη έκθεση σχετικά με την πρόοδο του κβαντικού υπολογισμού τα τελευταία πέντε χρόνια, με βάση ένα εργαστήριο που πραγματοποιήθηκε την άνοιξη του 2023. Αν και η έκθεση CCC δεν ανοίγει νέους δρόμους, είναι μια καλή επισκόπηση.

Το CCC αυτή την εβδομάδα δημοσίευσε ένα ιστολόγιο γραμμένο από την Catherine Gill σχετικά με την έκθεση που σημειώνει:

«Ο κβαντικός υπολογισμός βρίσκεται επί του παρόντος στην εποχή Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ), που σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές εξακολουθούν να υπόκεινται σε υψηλά ποσοστά σφάλματος και είναι ικανοί να διατηρούν λίγα λογικά qubits. Ωστόσο, η εργασία που γίνεται στον τομέα της διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων επιτρέπει στον κβαντικό υπολογισμό να μεταβεί σε ένα μέλλον ανεκτικό σε σφάλματα. «Έχει σημειωθεί αξιοσημείωτη πρόοδος στο υλικό κβαντικών υπολογιστών τα τελευταία πέντε χρόνια», λέει ο Kenneth Brown, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Duke, «αλλά οι προκλήσεις παραμένουν ως προς τη μείωση των σφαλμάτων και σε επίπεδο συστημάτων. Θεωρήσαμε απαραίτητο να συγκεντρώσουμε ειδικούς στους κβαντικούς υπολογιστές, την αρχιτεκτονική υπολογιστών και τη μηχανική συστημάτων για να σχεδιάσουμε τα επόμενα δέκα χρόνια.

Το εργαστήριο και η επακόλουθη έκθεση επικεντρώθηκαν σε πέντε τομείς:

  • Τεχνολογίες και αρχιτεκτονικές για κλιμάκωση. Οι κλιμακούμενες αρχιτεκτονικές απαιτούν μεγαλύτερα συστήματα για τη δημιουργία λιγότερων υπολογιστικών σφαλμάτων και χαμηλότερου κόστους ανά qubit, και η επίτευξη πρακτικών κβαντικών υπολογιστών θα απαιτήσει δημιουργικότητα και διεπιστημονική συνεργασία στον ακαδημαϊκό χώρο και τη βιομηχανία για την παραγωγή μιας τεχνολογικής καινοτομίας που διαπερνά τη στοίβα κβαντικών υπολογιστών. Επιπλέον, βελτιωμένα μοντέλα, πιστά στη δυναμική των πραγματικών συστημάτων, θα βοηθήσουν στην προώθηση της προόδου ορίζοντας τους πρακτικούς περιορισμούς που πρέπει να εξετάσουμε για να κάνουμε τα θεωρητικά κβαντικά συστήματα πραγματικότητα.
  • Εφαρμογές και αλγόριθμοι. Υπάρχει σαφής ανάγκη για περισσότερες εφαρμογές και αλγόριθμους με πρακτικό κβαντικό πλεονέκτημα. Αυτό απαιτεί τόσο την παραγωγή βραχυπρόθεσμων εφαρμογών με αποδεδειγμένο πειραματικό όφελος όσο και τη συνέχιση της ανάπτυξης βασικών εφαρμογών με ισχυρά θεωρητικά στοιχεία οφέλους. Για την επίτευξη αυτών των στόχων, συνιστούμε τη μείωση των απαιτήσεων πόρων για βασικές εφαρμογές, την εξερεύνηση βραχυπρόθεσμων εφαρμογών μέσω ενοποίησης τομέα και την αξιολόγηση του υλικού για να ενεργοποιηθεί η ανάπτυξη αλγορίθμων.
  • Ανοχή σφαλμάτων και μετριασμός σφαλμάτων. Τα QC είναι περιορισμένα σε θόρυβο. Βραχυπρόθεσμα, ο μετριασμός σφαλμάτων θα μειώσει τον θόρυβο της εφαρμογής και οι επιδείξεις διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων (QEC) θα ενημερώσουν τον μελλοντικό σχεδιασμό QC. Ο κβαντικός υπολογισμός μεγάλης κλίμακας θα απαιτήσει διόρθωση σφαλμάτων και ανοχή σφαλμάτων. Οι τρέχουσες εξελίξεις στους κώδικες QEC παρουσιάζουν ευκαιρίες για συν-σχεδιασμό κβαντικών αρχιτεκτονικών. Συστήματα που συνδυάζουν αρχές ανοχής σφαλμάτων και μεθόδους μετριασμού σφαλμάτων μπορούν να χρησιμεύσουν ως γέφυρα μεταξύ των σημερινών συστημάτων και του μελλοντικού QC μεγάλης κλίμακας.
  • Υβριδικά κβαντικά-κλασικά συστήματα: Αρχιτεκτονικές, Διαχείριση Πόρων και Ασφάλεια Κβαντικό υλικό θα είναι πιθανότατα πλεονεκτικό για εξειδικευμένους υπολογισμούς και η λύση των περισσότερων πρακτικών προβλημάτων θα απαιτήσει μια υβριδική λύση με ουσιαστικό κλασικό υπολογισμό σε συνεργασία με έναν κβαντικό πυρήνα. Η οργάνωση αυτών των υβριδικών συστημάτων και οι υβριδικοί αλγόριθμοι που τα χρησιμοποιούν θα αποτελέσουν βασικούς τομείς έρευνας. Ο κλασικός υπολογισμός για βελτιστοποίηση, προσομοίωση και επαλήθευση κβαντικών κυκλωμάτων θα είναι επίσης βασικό εργαλείο. Τέλος, μια αναδυόμενη ανησυχία αφορά τον ασφαλή σχεδιασμό κβαντικών συστημάτων έναντι πιθανών τρωτών σημείων.
  • Γλώσσες και εργαλεία προγραμματισμού. Τα εργαλεία κβαντικού προγραμματισμού είναι ακόμα σχετικά νέα. Ο κβαντικός προγραμματισμός σήμερα απαιτεί εις βάθος γνώση των μαθηματικών μονάδων και της σχετικής γραμμικής άλγεβρας. Ακόμη και με αυτή τη γνώση, οι γνωστοί αλγόριθμοι δεν είναι διαισθητικοί στους νεοφερμένους και είναι δύσκολο να συλλογιστούν οι νέοι αλγόριθμοι, ακόμη και για τους κβαντικούς ειδικούς. Για να φιλοξενηθούν νεοεισερχόμενοι στο πεδίο, να διευκολυνθεί η έρευνα και να καταστεί δυνατή η κλιμάκωση προγραμμάτων με κβαντικό πλεονέκτημα, απαιτούνται αποτελεσματικές αφαιρέσεις κβαντικού προγραμματισμού υψηλού επιπέδου. Για να επιτευχθούν τέτοιες αφαιρέσεις, απαιτείται μια υποδομή μηχανικής λογισμικού για μεταγλώττιση, επαλήθευση και προσομοίωση, τόσο για βραχυπρόθεσμο όσο και για μακροπρόθεσμο υλικό.

Η λίστα infographic των τύπων qubit παρακάτω είναι μια καλή εισαγωγή. Αυτό είναι αναγκαστικά ατελές γιατί ο αριθμός των τύπων qubits φαίνεται να αυξάνεται καθημερινά.

Η έκθεση καταλήγει: «Ο κβαντικός υπολογιστής βρίσκεται σε μια ιστορική και κομβική στιγμή, με σημαντική τεχνική πρόοδο τα τελευταία 5 χρόνια και μετάβαση σε συστήματα ανοχής σε σφάλματα τα επόμενα 5 χρόνια. Κάνοντας έναν απολογισμό όσων μάθαμε από τα συστήματα NISQ, αυτή η έκθεση εξέτασε 5 βασικούς τομείς στους οποίους οι επαγγελματίες πληροφορικής μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο.

Ανάμεσα στα ενδιαφέροντα ευρήματα της έκθεσης είναι μια σύσταση για την τυποποίηση της συγκριτικής αξιολόγησης QC. «Συνιστούμε να εξερευνήσετε τυποποιημένα πλαίσια συγκριτικής αξιολόγησης για να εντοπίσετε ένα σύνολο σημείων αναφοράς που θα μας επιτρέψουν να αξιολογήσουμε κβαντικές πλατφόρμες, αλγόριθμους και πιθανά ζητήματα στο πεδίο. Για παράδειγμα, ένα σημείο αναφοράς κβαντικής μηχανικής μάθησης από άκρο σε άκρο θα μας επέτρεπε να αξιολογήσουμε όχι μόνο τη γενική απόδοση μιας κβαντικής συσκευής, αλλά και την ανθεκτικότητα του θορύβου και την ευαισθησία δεδομένων του αλγορίθμου. Περισσότερη εργασία σε ευρέως αποδεκτά σημεία αναφοράς με στοιχεία από άλλες κοινότητες (επιστήμονες υπολογιστών, κοινότητες μηχανικής μάθησης) θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε αυξημένη συνεργασία και ενδιαφέρον από άλλους ειδικούς του τομέα.

(Το CCC είναι η οντότητα που δημιουργήθηκε από το NSF το 2007 – «Το CCC λειτουργεί ως προγραμματική επιτροπή του ARC σύμφωνα με τον Καταστατικό του ARC: τα μέλη του επικαλύπτονται ελάχιστα με το Διοικητικό Συμβούλιο του ARC· απολαμβάνει σημαντική αυτονομία και έχει πολλά αμοιβαία συνέργειες. οφέλη με το ARC. Το Συμβούλιο CCC συνεδριάζει τρεις φορές ανά ημερολογιακό έτος, συμπεριλαμβανομένης τουλάχιστον μίας συνεδρίασης στην Ουάσιγκτον, DC, και πραγματοποιεί κλήσεις διάσκεψης δύο φορές την εβδομάδα μεταξύ αυτών των συνεδριάσεων. Επιπλέον, η ηγεσία του CCC πραγματοποιεί κλήσεις διάσκεψης δύο φορές την εβδομάδα με την ηγεσία του της Διεύθυνσης Επιστήμης Υπολογιστών και Επιστημών Πληροφορικής και Μηχανικής του NSF (CISE).

Σύνδεσμος στο ιστολόγιο CCC, https://cccblog.org/2024/01/25/ccc-releases-the-5-year-update-to-the-next-steps-in-quantum-computing-workshop-report/

Σύνδεσμος στην αναφορά CCC, https://cccblog.org/wp-content/uploads/2024/01/5-Year-Update-to-the-Next-Steps-in-Quantum-Computing.pdf

*Συγγραφείς της έκθεσης είναι: Kenneth Brown, Duke University Fred Chong, University of Chicago Kaitlin N. Smith, Northwestern University and Infleqtion Thomas M. Conte, Georgia Institute of Technology and Community Computing Consortium Austin Adams, Georgia Institute of Technology Aniket Dalvi, Duke University Christopher Kang, University of Chicago Josh Viszlai, University of Chicago

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *