QQLink: un framework dichiarativo per l’orchestrazione di flussi di lavoro quantistici multi-QPU

Abstract degli autori

I protocolli quantistici distribuiti richiedono che i risultati delle misurazioni prodotti in un nodo controllino le operazioni in un altro. Presentiamo QQLink, un livello di programmazione e orchestrazione che esprime queste dipendenze in un unico programma, usando nodi del flusso di lavoro, riferimenti differiti alle misurazioni ed entanglement dichiarato, e ricava automaticamente il coordinamento tra nodi. Il suo pianificatore costruisce un grafo delle dipendenze dimostrabilmente aciclico in un tempo lineare rispetto alla dimensione totale degli insiemi di qubit coinvolti nelle istruzioni. Gli stessi programmi vengono eseguiti tramite backend di simulazione oppure tradotti in circuiti dinamici su hardware quantistico suddiviso in partizioni. Valutiamo sette flussi di lavoro basati su protocolli. I test esaustivi dei rami di feedforward nel percorso di esecuzione del simulatore, condotti su insiemi di input tomograficamente completi, producono infedeltà degli stati di uscita non superiori a $5\times10^{-12}$ e nessun risultato classico errato; inoltre, rieseguire ogni piano secondo ordini topologici casuali lascia invariato ciascuno stato finale. Processi di esecuzione separati eseguono i piani con messaggi ritardati, mentre lo stato quantistico congiunto è mantenuto da un servizio di simulazione centralizzato. Ogni esecuzione con il piano completo è corretta, mentre la rimozione delle dipendenze necessarie tra nodi causa il fallimento dei protocolli. I circuiti ottenuti dalla traduzione coincidono con le implementazioni scritte a mano della stessa costruzione per numero di gate a due qubit e di blocchi condizionali. Le esecuzioni su due processori IBM Heron, ciascuno suddiviso in QPU virtuali, dimostrano l’esecuzione sullo stesso chip in due sessioni a distanza di una settimana. Le esecuzioni mostrano anche un’ampia variabilità tra le sessioni e perdite superiori a quelle previste dai modelli di rumore derivati dalle calibrazioni. Le verifiche sensibili alla coerenza non dimostrano né un’esecuzione coerente dell’operazione Toffoli né la conservazione della sovrapposizione prevista dal codice a ripetizione. Questi risultati confermano la semantica dei flussi di lavoro di QQLink nei percorsi di esecuzione testati e individuano i limiti dell’attuale realizzazione hardware; l’esecuzione su QPU collegate da una rete fisica resta un obiettivo futuro.