Uno stack software modulare e consapevole della topologia per la computazione quantistica distribuita basata sull’entanglement

Abstract degli autori

La computazione quantistica distribuita (DQC) mira a superare i limiti dei processori monolitici aumentando la scala tramite l’interconnessione di più unità di elaborazione quantistica (QPU) attraverso collegamenti basati sull’entanglement. Per realizzare questa visione è necessario progettare congiuntamente hardware e software nei settori del networking quantistico, della compilazione e della pianificazione, eppure gli strumenti esistenti restano frammentati tra compilatori di circuiti monolitici e simulatori di reti quantistiche a lunga distanza. Presentiamo un framework open source, informato dalla topologia, per la compilazione e la pianificazione di programmi quantistici distribuiti. Dato un circuito in ingresso e una descrizione della rete bersaglio, il framework suddivide e ricostruisce il circuito in un programma distribuito che rispetta la topologia inter- e intra-QPU specificata, gestisce le operazioni tra QPU tramite teletrasporto di gate e di stati e pianifica il risultato secondo modelli di generazione dell’entanglement deterministici o stocastici. Accettando e generando OpenQASM standard, il framework è interoperabile con le toolchain monolitiche esistenti; inoltre, le sue interfacce di modulo standardizzate consentono di scambiare e confrontare tramite benchmark le strategie di partizionamento e pianificazione. Con questo framework mostriamo che la strategia di compilazione dalle prestazioni migliori varia a seconda dei circuiti e delle configurazioni di rete testati e che sia la topologia di rete sia la connettività intra-QPU incidono in misura sostanziale sul costo in termini di entanglement dell’esecuzione. Questi risultati sottolineano la necessità di un approccio di progettazione congiunta alla computazione quantistica distribuita, che il nostro framework è progettato per supportare.