新研究提升了量子计算机的速度

芝加哥大学研究人员的一项新发现有望将量子计算机的速度和可靠性提高十倍。通过结合物理学和计算机科学的原理，研究人员开发了一种新的可扩展编译器，使软件能够识别出基础量子硬件。随着科学家竞相建立第一台实用量子计算机，可扩展编译器将带来显著的性能优势。

芝加哥大学的研究小组由来自EPiQC（实现实际规模量子计算）合作项目的计算机科学家和物理学家组成。EPiQC合作项目是美国国家科学基金会（NSF）计划于2018年启动的的关于量子计算技术的一项探索项目，旨在在现有的理论算法与近期实用量子计算之间架起一座桥梁。

计算机科学与物理学的融合途径

EPiQC团队论文提及的核心技术采用了量子最优控制（QuantumOptimal Control），这是物理学家在量子计算成为可能的很久之前就开发出来的一种方法。 量子最优控制（QuantumOptimal Control）是对量子系统的控制旋钮进行微调，以便不断地将粒子驱动到期望的量子态，或者在计算环境中实现期望的程序。

如果成功应用，在计算机性能上予以支持的情况下，量子最优控制将允许量子计算机以最高的效率执行程序。

“实际上，多年来物理学家们一直在使用量子最优控制来操纵小型系统，但问题是他们的方法不具扩展性,”研究员Yunong Shi说。

即使使用最先进的硬件，对一台只有10个量子比特的机器进行量子最优控制也需要几个小时。除此之外，由于其运行时间呈指数级增长，这使得量子最优控制在来年预期的20-100量子比特计算机上难以实现。

其间，计算机科学家们已经开发出他们自己的方法来编译量子程序，即量子硬件的控制旋钮。该方法具有可扩展性的优势，即编译器可以很轻松地为拥有成千上万个量子比特的机器编译程序。但是，这些编译器很大程度上感知不到基础的量子硬件。因为软件处理的量子操作与硬件执行的量子操作之间通常存在严重的不匹配性，因此，编译的程序效率很低。

EPiQC团队的研究融合了计算机科学和物理学的方法，智能地将大的量子程序分割成很多子程序。每个子程序都小到足够可以用量子最优控制的物理方法来处理，而不会遇到性能问题。 这种方法不仅实现了传统计算机编译器的程序级可扩展性，而且还实现了量子最优控制的子程序级效率增益。

子程序的智能生成是由一种利用交换性的算法驱动的，交换性是一种可以按任意顺序重新排列的量子运算现象。无论是短期还是长期的相关量子算法，EPiQC团队的编译器在基线上实现了2到10倍的执行加速。 但是由于量子比特的脆弱性，量子程序执行的加速转换为最终计算的指数级最高的成功率。正如Shi强调的那样,”在量子计算机上，加快执行时间就会死亡。”

打破抽象壁垒

这种新的编译技术与以前的工作原理有很大的不同。”过去量子程序的编译器是模仿现代传统计算机的编译器,”芝加哥大学计算机科学系 Seymour Goodman 教授 Fred Chong 说。但与传统计算机不同的是，量子计算机是出了名的脆弱和嘈杂，因此针对传统计算机优化的技术并不能很好地适用于量子计算机。 “我们的新编译器不同于以前的经典编译器，因为它打破了量子算法和量子硬件之间的抽象壁垒，从而提高了计算效率。“

该团队的研究主题是让编译器软件能够感知基础量子硬件，而且这与基础硬件的具体类型没有任何关系。所以目前正在开发的不同类型的量子计算机，比如拥有超导量子比特和捕获离子量子比特的计算机，这些类型的计算机编译器软件都能够感知其基础量子硬件。

他们希望在接下来的几个月里看到他们的方法试验成功，特别是现在已经定义了的一个开放的行业标准开放脉冲（OpenPulse）。根据量子最优控制技术的需要，该标准将使量子计算机能够以尽可能低的水平运行。IBM的量子路线图强调开放脉冲（OpenPulse）支持是2019年的一个关键目标，而其他公司也有可能将会宣布类似的计划。

该团队的论文”现实量子计算机聚合指令的优化编译”现已发表在 arXiv 上，并将于4月17日在罗德岛举行的 ASPLOS 计算机体系结构会议上发布。除了研究员Yunong Shi和芝加哥大学计算机科学系的Fred Chong，合著者还包括来自芝加哥大学的Nelson Leung、Pranav Gokhale、Zane Rossi、David i. Schuster和HenryHoffman。