Che cos'è lo strumento di stima delle risorse Di Microsoft Quantum?

I computer quantistici sono soggetti a rumore ed errori perché i singoli qubit sono altamente sensibili ai cambiamenti nelle condizioni ambientali. Il calcolo quantistico a tolleranza di errore richiede algoritmi che usano codici QEC (Quantum Error Correction). Questi codici creano e usano qubit logici da raccolte di singoli qubit fisici. I qubit logici correggeno gli errori durante l'esecuzione di un programma in un computer quantistico in modo che i calcoli quantistici possano fornire risultati affidabili.

Lo strumento di stima delle risorse quantum Microsoft è uno strumento open source nella libreria Microsoft Quantum Development Kit (QDK) Python che consente di stimare le risorse necessarie per eseguire un programma quantistico in un computer quantistico a tolleranza di errore. I codici di correzione degli errori aumentano il numero di qubit fisici e il tempo di esecuzione di un algoritmo quantistico. Lo strumento di stima delle risorse determina il numero di qubit fisici e il tempo necessario per l'esecuzione di un'applicazione quantistica in hardware specifico con uno schema di correzione degli errori specificato.

Con lo strumento di stima delle risorse quantistiche è possibile confrontare tecnologie qubit, schemi di correzione degli errori quantistici e tecnologie hardware per comprendere l'impatto sulle risorse necessarie per eseguire un programma quantistico.

Come funziona lo strumento di stima delle risorse quantistico?

Lo strumento di stima delle risorse è progettato intorno a un approccio di modellazione a più livelli per essere flessibile e componibile. Si creano modelli per l'applicazione, l'hardware e lo schema di correzione degli errori. È anche possibile specificare il modo in cui questi modelli interagiscono. Tutti i modelli e le istruzioni sono indipendenti l'uno dall'altro, quindi è possibile combinare e confrontare diverse combinazioni di modelli.

Lo strumento di stima delle risorse usa rappresentazioni intermedie per connettere i livelli. Queste rappresentazioni fanno parte dell'implementazione dello strumento di stima e non sono necessarie per l'uso tipico. Si interagisce con lo strumento di stima delle risorse tramite linguaggi di programmazione standard e modelli di configurazione di alto livello.

Lo strumento di stima delle risorse quantistiche richiede quattro input:

• Modello di applicazione che descrive il calcolo quantistico, ad esempio un programma Q#
• Modello di architettura che descrive l'hardware target quantistico, ad esempio i qubit di superconduttori basati su gate con tempi di gate e percentuali di errore specifici
• Un modello di correzione d’errore e di distillazione in fabbrica che corrisponde al modello dell’architettura hardware
• Budget degli errori, ovvero la frequenza massima di errore consentita per le operazioni sui qubit logici

Dal modello di applicazione, lo strumento di stima delle risorse genera una o più tracce di applicazioni. Queste tracce sono rappresentazioni compatta delle sequenze di istruzioni applicate ai qubit. Dal modello di architettura e dal modello di correzione degli errori, lo strumento di stima delle risorse deriva un set di istruzioni fisiche (ISA) che specifica i tempi operativi, i costi di qubit e le percentuali di errore.

Sia il livello applicazione che il livello architettura vengono convertiti in trasformazioni configurabili. Le trasformazioni di tracciamento dal livello dell'applicazione includono decomposizioni di gate e routine di layout. Le trasformazioni dell’ISA a livello di architettura includono codici di correzione degli errori quantistici e fabbriche di stati magici per costruire insiemi di istruzioni logiche a maggiore fedeltà a partire dalle primitive fisiche dell’architettura.

Lo strumento di stima delle risorse esplora uno spazio di progettazione combinatoriale di grandi dimensioni perché sono disponibili molte scelte di progettazione valide a ogni livello. Ad esempio, distanze di codice QEC diverse, protocolli factory diversi e parametri di scomposizione diversi. Lo strumento di stima delle risorse esplora ogni combinazione di analisi dell'applicazione e architettura ISA per valutare i conteggi dei qubit fisici, i tempi di esecuzione e le percentuali di errore accumulate per ogni combinazione. I risultati vengono filtrati in base a una frontiera ottimale di Pareto, ovvero il set ottimale di configurazioni in cui nessun altro risultato è contemporaneamente migliore sia in qubit che in runtime pur rimanendo entro il budget di errore specificato.

Supporto per il linguaggio dell'applicazione

Lo strumento di stima delle risorse accetta applicazioni quantistica in diversi linguaggi di programmazione e formati intermedi seguenti:

• Q#
• Cirq
• OpenQASM
• QIR
• Conteggi logici
• Applicazioni personalizzate

Con QIR e la possibilità di creare applicazioni personalizzate, lo strumento di stima delle risorse è indipendente dal linguaggio e supporta un'ampia gamma di strumenti di programmazione quantistica. Le applicazioni in framework diversi vengono analizzate usando la stessa pipeline di stima. È anche possibile creare applicazioni personalizzate al di fuori di questi framework supportati.

Supporto hardware per l'architettura

Le stime delle risorse dipendono dai presupposti relativi all'hardware target e al codice di correzione degli errori che protegge le operazioni logiche dagli errori. Lo strumento di stima delle risorse include modelli predefiniti per architetture comuni e schemi di correzione degli errori. È anche possibile definire modelli personalizzati di correzione degli errori e hardware per esplorare architetture ipotetiche, valutare le tecnologie emergenti o studiare in che modo i cambiamenti nei parametri fisici influiscono sui requisiti delle risorse per eseguire un programma.

Confrontare le stime e visualizzare i risultati

Lo strumento di stima delle risorse consente di stimare le risorse necessarie per eseguire lo stesso algoritmo quantistico per configurazioni diverse dei modelli di target architettura. È possibile tracciare i risultati per ogni configurazione per confrontare i risultati. Quando si confrontano le stime, è possibile comprendere in che modo l'architettura qubit, lo schema QEC e altri parametri hardware influiscono sulle risorse complessive necessarie per eseguire il programma.

Introduzione allo strumento di stima delle risorse

Per iniziare, vedere Come installare e usare lo strumento di stima delle risorse quantum Microsoft.

Per altre informazioni ed esempi di codice, vedere gli esempi di stima delle risorse quantistiche nel repository QDK in GitHub.