ARQUIN bietet ein Framework zur Simulation eines verteilten Quantencomputersystems

Eines der schwierigsten Probleme beim Quantencomputing ist die Vergrößerung des Quantencomputers. Forscher auf der ganzen Welt versuchen, diese „Skalenherausforderung“ zu lösen.

Um die Quantenskalierung näher an die Realität heranzuführen, arbeiteten Forscher aus 14 Institutionen über das Co-Design Center for Quantum Advantage (C2QA), das Department of Energy (DOE), das Office of Science und das National Research Center for Quantum Information Sciences zusammen. Gemeinsam bauten sie das ARQUIN-Framework auf, eine Pipeline zur Simulation groß angelegter verteilter Quantencomputer in Form verschiedener Schichten. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht ACM-Transaktionen zum Quantencomputing.

Qubits verbinden

Das Forschungsteam unter der Leitung von Michael DeMarco vom Brookhaven National Laboratory und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) begann mit einer Standard-Computing-Strategie, bei der mehrere Computing-„Knoten“ zu einem einheitlichen Computing-Framework kombiniert wurden.

Theoretisch kann dieses Mehrknotensystem emuliert werden, um Quantencomputer zu verbessern, aber es gibt ein Problem. In supraleitenden Quantensystemen müssen Qubits unglaublich kalt bleiben. Dies geschieht normalerweise mit einem kryogenen Gerät, das als Verdünnungskühlschrank bezeichnet wird. Das Problem besteht darin, dass es schwierig ist, einen Quantencomputerchip in einem einzigen Kühlschrank auf eine ausreichend große Größe zu skalieren.

Selbst in größeren Kühlschränken wird es schwierig, supraleitende Stromkreise innerhalb eines einzelnen Chips aufrechtzuerhalten. Um einen leistungsstarken Quantencomputer mit mehreren Knoten zu schaffen, müssen Forscher nicht nur die Knoten innerhalb eines Verdünnungskühlschranks verbinden, sondern auch die Knoten zwischen mehreren Verdünnungskühlschränken.

Zusammenbau von Quantum-Zutaten

Keine einzelne Institution könnte den gesamten Umfang der für das ARQUIN-Rahmenwerk erforderlichen Forschung durchführen. Zum ARQUIN-Team gehörten Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Brookhaven, MIT, der Yale University, der Princeton University, Virginia Tech, IBM und anderen.

„Viel Quantenforschung wird isoliert betrieben, wobei Forschungsgruppen nur ein Teil des Puzzles betrachten“, sagte Samuel Stein, Quanteninformatiker am PNNL. „Es ist fast so, als würde man Zutaten zusammenstellen, ohne zu wissen, wie sie in einem Rezept zusammenwirken. Wenn Experimente nur an einem Aspekt des Quantencomputers durchgeführt werden, sieht man nicht, wie sich die Ergebnisse auf andere Teile des Systems auswirken können.“

Stattdessen teilte das ARQUIN-Team das Problem des Aufbaus eines Quantencomputers mit mehreren Knoten in verschiedene „Schichten“ auf, wobei jede Institution je nach Fachgebiet auf einer anderen Schicht arbeitete.

„Es ist ein riesiges Optimierungsproblem“, sagte Mark Ritter, Vorsitzender des Physical Sciences Board bei IBM. „Das Team musste eine gründliche Bewertung des Feldes durchführen, um zu sehen, wo wir in Bezug auf Technologie und Algorithmen waren, und dann Simulationen durchführen, um herauszufinden, wo es Engpässe gab und was verbessert werden könnte.“

Das ARQUIN-Framework konzentrierte sich auf supraleitende Quantengeräte, die über Mikrowellen mit optischen Verbindungen verbunden sind. Jede Institution hat sich auf einen anderen Bestandteil des Quantencomputing-Rezepts konzentriert. Während einige Forscher beispielsweise untersuchten, wie sich die Mikrowellen-zu-optische-Transduktion optimieren lässt, entwickelten andere Algorithmen, die die verteilte Architektur nutzen.

„Eine solche domänenübergreifende Systemforschung ist für die Entwicklung von Roadmaps für nützliche Quanteninformationsverarbeitungsanwendungen von wesentlicher Bedeutung und wird nur durch die National Quantum Initiatives des DOE ermöglicht“, sagte Professor Isaac Chuang vom MIT.

Für ihren Teil des ARQUIN-Frameworks entwarfen und bauten PNNL-Forscher, darunter Stein, Ang Li und James (Jim) Ang, die Simulationspipeline und generierten das Quanten-Dachlinienmodell, das alle Zutaten miteinander verknüpfte und so einen Rahmen für das Ausprobieren verschiedener Rezepte schuf. für zukünftige Quantencomputer.

Aus seiner einzigartigen Perspektive versteht der PNNL-Physiker Chenxu Liu die Notwendigkeit einer multiinstitutionellen Zusammenarbeit. Als Postdoktorand an der Virginia Tech arbeitete er am ARQUIN-Framework.

„Obwohl jede Forschungsgruppe über Fachwissen in ihrem Teil des Projekts verfügte, hatte niemand ein wirklich tiefes Verständnis dafür, was alle anderen Gruppen im Projekt taten“, sagte Liu. „Allerdings musste die Arbeit jeder Gruppe in die gesamte Quantencomputer-Pipeline integriert werden, um einen Sinn daraus zu ziehen.“

Nach der Zusammenstellung der verschiedenen Teile des Projekts wurde ARQUIN zu einem Rahmen für die Simulation und das Benchmarking zukünftiger Quantencomputer mit mehreren Knoten. Dies ist ein vielversprechender erster Schritt hin zu einer effizienten und skalierbaren Quantenkommunikation und -verarbeitung durch die Integration modularer Systeme.

Erweitern Sie das Quantenrezept

Obwohl ein funktionierender Multi-Node-Quantencomputer, der im ARQUIN-Artikel beschrieben wird, noch nicht erstellt wurde, bietet diese Forschung einen Fahrplan für das zukünftige Co-Design von Quantenhardware und -software.

„Die Schaffung einer schichtbasierten hierarchischen Simulationsumgebung, einschließlich mikrowellenoptischer Simulation, Destillationssimulation und Systemsimulation, war ein entscheidender Teil dieser Arbeit“, sagte Li und ermöglichte es dem ARQUIN-Team, die Kompromisse zwischen verschiedenen Designfaktoren zu verstehen und zu bewerten und Leistungsmetriken in Bezug auf den komplexen Kommunikationsstapel des verteilten Quantencomputings.“

Einige der für ARQUIN erstellten Softwareprodukte wurden bereits von Teammitgliedern für andere Projekte genutzt. Viele ARQUIN-Autoren arbeiteten an einem anderen Projekt namens HetArch zusammen, um verschiedene supraleitende Quantenarchitekturen weiter zu untersuchen.

„Dies ist ein Beispiel für die Anwendung der Co-Design-Prinzipien des Exascale-Computings auf unsere ARQUIN/HetArch-Designraumerkundungen“, sagte Ang.