Tecnologia Científica

Cientistas da computação definem benchmarks para otimizar o desempenho do computador quântico
No projeto do computador, quanto menor a profundidade do circuito, mais rápido o cálculo pode ser concluído. Circuitos menores também implicam que mais computação pode ser compactada no computador quântico existente.
Por Universidade da Califórnia - 14/08/2020


Domínio público

Dois cientistas da computação da UCLA mostraram que os compiladores existentes, que dizem aos computadores quânticos como usar seus circuitos para executar programas quânticos, inibem a capacidade dos computadores de atingir um desempenho ideal. Especificamente, sua pesquisa revelou que melhorar o design de compilação quântica pode ajudar a atingir velocidades de computação até 45 vezes mais rápidas do que as demonstradas atualmente.

Os cientistas da computação criaram uma família de circuitos quânticos de referência com profundidades ou tamanhos ideais conhecidos. No projeto do computador, quanto menor a profundidade do circuito, mais rápido o cálculo pode ser concluído. Circuitos menores também implicam que mais computação pode ser compactada no computador quântico existente. Os projetistas de computadores quânticos poderiam usar esses benchmarks para melhorar as ferramentas de projeto que poderiam então encontrar o melhor projeto de circuito.

"Acreditamos na metodologia de 'medir, depois melhorar'", disse o pesquisador Jason Cong, professor de Ciência da Computação do Chanceler Ilustre da Escola de Engenharia da UCLA Samueli. "Agora que revelamos a grande lacuna de otimalidade, estamos no caminho para desenvolver melhores ferramentas de compilação quântica e esperamos que toda a comunidade de pesquisa quântica o faça também."

Cong e o estudante de graduação Daniel (Bochen) Tan testaram seus benchmarks em quatro das ferramentas de compilação quântica mais usadas. Um estudo detalhando sua pesquisa foi publicado no IEEE Transactions on Computers , um jornal revisado por pares.

"Esta pesquisa de compilação poderia efetivamente estender esse tempo e seria o equivalente a um enorme avanço na física experimental e na engenharia elétrica", acrescentou Cong. "Portanto, esperamos que esses benchmarks motivem a academia e a indústria a desenvolver melhores ferramentas de síntese de layout, que por sua vez ajudarão a impulsionar os avanços na computação quântica ."


Tan e Cong fizeram os benchmarks, chamados QUEKO, de código aberto e disponíveis no repositório de software GitHub .

Os computadores quânticos utilizam a mecânica quântica para realizar uma grande quantidade de cálculos simultaneamente, o que tem o potencial de torná-los exponencialmente mais rápidos e poderosos do que os melhores supercomputadores de hoje. Mas muitos problemas precisam ser resolvidos antes que esses dispositivos possam sair do laboratório de pesquisa.

Por exemplo, devido à natureza sensível de como os circuitos quânticos funcionam, pequenas mudanças ambientais, como pequenas flutuações de temperatura, podem interferir na computação quântica. Quando isso acontece, os circuitos quânticos são chamados de descoerentes - o que significa que perderam as informações uma vez codificadas neles.

"Se pudermos reduzir consistentemente a profundidade do circuito pela melhor síntese de layout, nós efetivamente dobramos o tempo que leva para um dispositivo quântico se tornar descoerente", disse Cong.

"Esta pesquisa de compilação poderia efetivamente estender esse tempo e seria o equivalente a um enorme avanço na física experimental e na engenharia elétrica", acrescentou Cong. "Portanto, esperamos que esses benchmarks motivem a academia e a indústria a desenvolver melhores ferramentas de síntese de layout, que por sua vez ajudarão a impulsionar os avanços na computação quântica ."

Cong e seus colegas lideraram um esforço semelhante no início dos anos 2000 para otimizar o projeto de circuitos integrados em computadores clássicos. Essa pesquisa efetivamente impulsionou duas gerações de avanços nas velocidades de processamento do computador, usando apenas um design de layout otimizado, que encurtou a distância entre os transistores que compõem o circuito. Essa melhoria econômica foi alcançada sem quaisquer outros grandes investimentos em avanços tecnológicos, como a redução física dos próprios circuitos.

"Os processadores quânticos existentes hoje são extremamente limitados pela interferência ambiental, o que impõe severas restrições à duração dos cálculos que podem ser realizados", disse Mark Gyure, diretor executivo do Centro de Ciência e Engenharia Quântica da UCLA, que não esteve envolvido nisso estude. "É por isso que os resultados da pesquisa recente do grupo do professor Cong são tão importantes, porque eles mostraram que a maioria das implementações de circuitos quânticos até hoje são provavelmente extremamente ineficientes e os circuitos compilados de forma mais otimizada podem permitir a execução de algoritmos muito mais longos. Isso pode resultar nos processadores de hoje resolver problemas muito mais interessantes do que se pensava anteriormente. Isso é um avanço extremamente importante para o campo e incrivelmente empolgante. "

 

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