Uma Nova Abordagem para o Agendamento de Circuitos Quânticos

Os computadores quânticos hoje enfrentam desafios principalmente por causa do barulho, que atrapalha a precisão nas tarefas. Métodos atuais como supressão e mitigação de erros ajudam um pouco, mas um jeito diferente chamado Corte de Circuito também é útil. O corte de circuito envolve separar um circuito grande em partes menores, ou Subcircuitos, e processá-los de forma independente. Este artigo discute um novo planejador que organiza esses subcircuitos de acordo com o Hardware disponível. O objetivo é alcançar a máxima Fidelidade (precisão) dos resultados enquanto mantém o tempo de execução de cada peça de hardware dentro de um limite estabelecido.

#Introdução

Atualmente, os computadores quânticos ainda não são perfeitos e costumam gerar resultados barulhentos. Diferentes técnicas estão sendo estudadas para melhorar o desempenho desses dispositivos. Algumas dessas métodos focam em reduzir o barulho por meio da correção de erros, enquanto outras se preocupam em como alocar tarefas de forma eficiente no hardware disponível. Um método promissor é o corte de circuito, que divide um circuito em unidades menores para facilitar o gerenciamento.

Este artigo apresenta uma nova ferramenta de agendamento que usa o corte de circuito de forma inteligente. A ferramenta vai atribuir subcircuitos a várias opções de hardware para garantir que os cálculos sejam precisos e concluídos dentro de um tempo razoável.

#Contexto

Os computadores quânticos oferecem vantagens, como a capacidade de completar tarefas específicas mais rápido que os computadores normais, mas esses benefícios dependem muito da tolerância a falhas desses dispositivos. Até agora, computadores quânticos tolerantes a falhas não existem, o que deixa os pesquisadores tentando mitigar o barulho. Muitos estudos têm explorado várias estratégias, como o corte de circuito, para melhorar os resultados mesmo na presença de barulho.

O corte de circuito divide circuitos em segmentos menores, permitindo o processamento desses segmentos em dispositivos menos ocupados. Essa abordagem mostrou eficácia em reduzir o barulho porque circuitos menores tendem a ter menos qubits e portas. No entanto, estudos anteriores não levaram em conta as condições de barulho ao redor desses segmentos menores.

#Motivação

Os usuários de computadores quânticos geralmente querem duas coisas principais: minimizar os efeitos do barulho em seus cálculos e rodar seus circuitos no hardware menos barulhento disponível. Esses objetivos podem entrar em conflito porque reduzir o barulho geralmente requer atribuições ao melhor hardware, o que pode aumentar o tempo de execução. O método proposto busca encontrar um equilíbrio entre esses dois desafios. Combinando o corte de circuito com um agendamento estratégico, os usuários podem obter melhores resultados em menos tempo.

#Principal Contribuição

Encontrar o equilíbrio certo entre barulho e tempo de execução é complicado, porque esforços para reduzir um geralmente levam a um aumento no outro. Idealmente, os usuários querem rodar todas as partes de seus circuitos nos dispositivos menos barulhentos, mas isso pode levar mais tempo. O novo planejador tenta enfrentar esse problema usando uma abordagem sistemática projetada para maximizar a fidelidade enquanto adere a limites de tempo fixos para o hardware.

O problema de agendamento envolve organizar uma lista de subcircuitos e hardware disponível de modo que os tempos de execução permaneçam gerenciáveis enquanto se melhora a precisão geral. O resultado é um conjunto de instruções que atribui tarefas de maneira otimizada aos dispositivos sem ultrapassar as restrições de tempo.

#Corte de Circuito

O hardware quântico atual tem limitações de tamanho, exigindo métodos que possam dividir circuitos de forma eficaz em subcircuitos menores. O corte de circuito foca especificamente em dividir circuitos em segmentos independentes para facilitar a execução. Sendo que unidades menores encontram menos barulho, essa abordagem tem potencial além de meramente encaixar circuitos maiores em dispositivos menores.

O corte de circuito funciona quebrando um circuito em várias partes, cada uma podendo ser processada de forma independente e reconstruída depois para obter o resultado final. Embora esse método possa melhorar os resultados, a natureza do pós-processamento clássico também introduz certa complexidade, pois exige uma maneira consistente e eficiente de combinar os resultados dos subcircuitos.

#Colocação de Circuito e Seleção de Qubits Bons

Dispositivos quânticos precisam de operações de dois qubits entre qubits vizinhos. Isso significa que, ao agendar tarefas, é crucial considerar não apenas a capacidade operacional do hardware, mas também os níveis de barulho de cada qubit envolvido. O objetivo da colocação é minimizar o número de operações que precisam ser ajustadas ou trocadas, reduzindo assim o tempo de execução total.

No entanto, o desafio surge ao tentar selecionar os qubits menos barulhentos para a colocação, pois isso pode inadvertidamente levar a tempos de execução mais longos se esses qubits não estiverem próximos uns dos outros. O equilíbrio entre minimizar operações de troca e escolher qubits de alta qualidade é um desafio contínuo.

Uma solução de duas etapas foi proposta, envolvendo uma colocação inicial baseada principalmente na minimização das operações de troca, seguida por um processo de refinamento onde os perfis de barulho são avaliados. Esse processo resulta na escolha da melhor combinação de qubits para um determinado circuito.

#Cronograma de Hardware para Subcircuits

A tarefa de agendar subcircuitos envolve encontrar a melhor maneira de atribuí-los a vários componentes de hardware enquanto maximiza a fidelidade e minimiza o tempo total de execução. Embora o corte de circuito reduza o barulho nos circuitos, ele também aumenta o número de subcircuitos que precisam ser executados, o que pode alongar os tempos de execução mais do que o desejável.

No entanto, se houver opções de hardware suficientes para acomodar os subcircuitos adicionais, um algoritmo de correspondência eficiente pode ajudar a encontrar atribuições otimizadas rapidamente. Em casos onde há mais subcircuitos do que hardware disponível, uma abordagem de agendamento se torna necessária.

Quando a tarefa é distribuída entre vários dispositivos, fica mais desafiador manter alta fidelidade enquanto controla os tempos de execução. O novo planejador atende a essas necessidades formulando uma estratégia clara para atribuir subcircuitos com base nas capacidades existentes de hardware.

#Estrutura Proposta

A estrutura de agendamento proposta começa com uma lista de circuitos e hardware disponível. Cada circuito é dividido em subcircuitos usando corte de circuito. Após o corte, a próxima etapa é selecionar o hardware certo para processar cada subcircuito. O objetivo final é maximizar a fidelidade enquanto mantém os tempos de execução dentro de limites especificados.

Cada subcircuito se correlaciona com múltiplas instâncias devido à sua partição. A estrutura avalia sistematicamente o hardware disponível quanto aos níveis de barulho e potenciais tempos de execução, levando a um processo de otimização onde decisões são tomadas sobre onde cada subcircuito deve ser executado.

#Seleção de Hardware Apropriado

O primeiro passo na nova estrutura de agendamento é garantir que o hardware disponível possa lidar com os qubits necessários para cada subcircuito. Por meio de um sistema de marcação, fica mais fácil rastrear qual subcircuito corresponde a qual circuito.

O processo de seleção identifica as opções de hardware adequadas para cada subcircuito, garantindo que o hardware possa acomodar os qubits necessários.

#Avaliação de Cada Hardware Conforme o Perfil de Barulho

Uma vez identificado o hardware disponível, um sistema de pontuação avalia cada peça de hardware com base em seu perfil de barulho. Essa pontuação oferece uma avaliação relativa de quão bem cada opção de hardware pode funcionar com um determinado circuito.

Pontuações mais baixas geralmente indicam melhor desempenho. Após a pontuação, cada circuito é então emparelhado com o hardware mais adequado com base em seu perfil de barulho específico.

#Agendador Distribuído Consciente de Barulho e Tempo (NoTaDS)

O núcleo da ferramenta de agendamento proposta é o Agendador Distribuído Consciente de Barulho e Tempo (NoTaDS). O planejador utiliza uma abordagem de programação linear inteira para atribuir subcircuitos ao hardware enquanto garante que a fidelidade seja maximizada.

As restrições definidas no processo de otimização incluem garantir que cada subcircuito seja atribuído a uma peça de hardware e que os tempos de execução total para esses circuitos não ultrapassem os limites permitidos. A função objetivo foca em maximizar a fidelidade enquanto minimiza o barulho geral.

#Resultados Experimentais

Para avaliar o desempenho do NoTaDS, várias configurações experimentais foram realizadas usando diversos circuitos. Os resultados mostraram uma fidelidade melhorada, especialmente em casos onde o corte de circuito foi empregado, até mesmo em comparação com circuitos não cortados. A análise incluiu diferentes tipos de hardware, revelando a robustez do método proposto.

#Conclusão

O agendador NoTaDS oferece uma abordagem promissora para gerenciar circuitos quânticos em um ambiente onde o barulho afeta significativamente a precisão da computação. Ao aproveitar o corte de circuito e uma estratégia de agendamento pensada, a ferramenta otimiza a fidelidade para circuitos quânticos enquanto mantém os tempos de execução dentro de limites gerenciáveis.

Esse método representa um avanço substancial na forma como os cálculos quânticos podem ser organizados e executados, particularmente em cenários onde os recursos são limitados. O futuro trará estudos mais aprofundados para refinar ainda mais essas técnicas, garantindo que aplicações práticas em cenários do mundo real permaneçam viáveis.