O que é o avaliador de recursos do Microsoft Quantum?

Computadores quânticos são propensos a ruídos e erros porque qubits individuais são altamente sensíveis a alterações nas condições ambientais. A computação quântica tolerante a falhas requer algoritmos que usam códigos de QEC (correção de erro quântico). Esses códigos criam e usam qubits lógicos de coleções de qubits físicos individuais. Os qubits lógicos corriem erros enquanto um programa é executado em um computador quântico para que os cálculos quânticos possam fornecer resultados confiáveis.

O avaliador de recursos do Microsoft Quantum é uma ferramenta de software livre no pacote de Microsoft Quantum Development Kit (QDK) Python que permite estimar os recursos necessários para executar um programa quântico em um computador quântico tolerante a falhas. Os códigos de correção de erro aumentam o número de qubits físicos e o tempo de execução de um algoritmo quântico. O avaliador de recursos determina quantos qubits físicos e quanto tempo é necessário para um aplicativo quântico ser executado em hardware específico com um determinado esquema de correção de erros.

Com o avaliador de recursos quânticos, você pode comparar tecnologias de qubit, esquemas de correção de erros quânticos e tecnologias de hardware para entender o impacto sobre os recursos necessários para executar um programa quântico.

Como funciona o avaliador de recursos quânticos?

O avaliador de recursos foi projetado em torno de uma abordagem de modelagem em camadas para ser flexível e composável. Você constrói modelos para o aplicativo, o hardware e o esquema de correção de erros. Você também especifica como esses modelos interagem. Todos os modelos e instruções são independentes uns dos outros, para que você possa combinar e comparar diferentes combinações de modelos.

O avaliador de recursos usa representações intermediárias para conectar as camadas. Essas representações fazem parte da implementação do avaliador e não são necessárias para uso típico. Você interage com o avaliador de recursos por meio de linguagens de programação padrão e modelos de configuração de alto nível.

O avaliador de recursos quânticos requer quatro entradas:

• Um modelo de aplicativo que descreve a computação quântica, como um programa Q#
• Um modelo de arquitetura que descreve o hardware quantum de target, por exemplo, qubits supercondutores baseados em portão com tempos de portão e taxas de erro específicos
• Um modelo de correção de erros e destilação de fábricas que corresponde ao modelo de arquitetura de hardware
• Um orçamento de erro, que é a taxa de erro máxima permitida para operações em qubits lógicos

No modelo de aplicativo, o avaliador de recursos gera um ou mais rastreamentos de aplicativos. Esses rastreamentos são representações compactas das sequências de instruções que são aplicadas a qubits. No modelo de arquitetura e no modelo de correção de erros, o avaliador de recursos deriva um ISA (conjunto de instruções físicas) que especifica tempos de operação, custos de qubit e taxas de erro.

A camada de aplicativo e a camada de arquitetura são convertidas em transformações configuráveis. As transformações de rastreamento da camada de aplicativo incluem decomposições de portão e rotinas de layout. As transformações isa da camada de arquitetura incluem códigos de correção de erro quântico e fábricas de estado mágico para criar conjuntos de instruções lógicas de maior fidelidade a partir dos primitivos físicos da arquitetura.

O avaliador de recursos explora um grande espaço de design combinatorial porque há muitas opções de design válidas em cada camada. Por exemplo, diferentes distâncias de código QEC, protocolos de fábrica diferentes e diferentes parâmetros de decomposição. O avaliador de recursos explora todas as combinações de rastreamento de aplicativo e ISA de arquitetura para avaliar as contagens de qubits físicos, os tempos de execução e as taxas de erro acumuladas de cada combinação. Os resultados são filtrados para uma fronteira ótima de Pareto, que é o conjunto ótimo de configurações em que nenhum outro resultado é simultaneamente melhor em qubits e tempo de execução, mantendo-se dentro do orçamento de erro especificado.

Suporte ao idioma do aplicativo

O avaliador de recursos aceita aplicativos quânticos em várias linguagens de programação e formatos intermediários a seguir:

• Q#
• Cirq
• OpenQASM
• QIR
• Contagens lógicas
• Aplicativos personalizados

Com o QIR e a capacidade de criar aplicativos personalizados, o avaliador de recursos é independente de linguagem e dá suporte a uma ampla gama de ferramentas de programação quântica. Aplicativos em estruturas diferentes são analisados usando o mesmo pipeline de estimativa. Você também pode criar aplicativos personalizados fora dessas estruturas com suporte.

Suporte de hardware para arquitetura

As estimativas de recursos dependem de suposições sobre o target hardware e o código de correção de erro que protege as operações lógicas contra erros. O avaliador de recursos inclui modelos internos para arquiteturas comuns e esquemas de correção de erros. Você também pode definir seus próprios modelos personalizados de correção de erros e hardware para explorar arquiteturas hipotéticas, avaliar tecnologias emergentes ou estudar como as alterações nos parâmetros físicos afetam os requisitos de recursos para executar um programa.

Comparar estimativas e visualizar resultados

O avaliador de recursos permite estimar os recursos necessários para executar o mesmo algoritmo quântico para diferentes configurações de modelos de target arquitetura. Você pode plotar os resultados de cada configuração para comparar os resultados. Ao comparar estimativas, você pode entender como a arquitetura do qubit, o esquema QEC e outros parâmetros de hardware afetam os recursos gerais necessários para executar seu programa.

Introdução ao avaliador de recursos

Para começar, consulte Como instalar e usar o avaliador de recursos do Microsoft Quantum.

Para obter mais informações e exemplos de código, consulte os exemplos do avaliador de recursos quânticos no repositório QDK no GitHub.