Schätze finden in einem erweiterten Designraum

Der Begriff Design Space Exploration (DSE) wird häufig im Zusammenhang mit Elektronikdesign verwendet. Wie in Wikipedia beschrieben:

DSE bezieht sich auf die systematische Analyse und das Herausfiltern unerwünschter Entwurfspunkte auf der Grundlage von Parametern von Interesse. DSE ist wichtig angesichts der komplexen Spezifikation elektronischer Systeme und der Fülle von Entwurfsentscheidungen, die von der Wahl der Komponenten, der Anzahl der Komponenten, der Betriebsarten der einzelnen Komponenten, der Verbindungen zwischen den Komponenten, der Wahl des Algorithmus usw. reichen. Der Explorationsprozess ist komplex, da es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, dieselbe Funktionalität zu implementieren. Eine Kompromissanalyse zwischen den einzelnen Implementierungsoptionen auf der Grundlage bestimmter interessanter Parameter bildet die Grundlage der DSE.

Ähnlich wie beim Elektronikdesign ist auch bei der Implementierung von Quantenalgorithmen der Designraum sehr groß. Jeder Funktionsblock in einem Quantenalgorithmus kann auf zahlreiche Arten implementiert werden. Zum Beispiel:

• Ein einfacher Addierer kann als QFT-Addierer oder als Ripple-Addierer implementiert werden
• Verschiedene Gates können verwendet werden, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen
• Das Hinzufügen von Hilfsqubits kann die Tiefe des Blocks verringern
• Hilfsqubits könnten für nachgelagerte Blöcke wiederverwendet werden, wenn sie entsprechend unberechnet sind
• Kommutative Terme (z. B. in einer Hamiltonfunktion) können auf verschiedene Weise aneinandergereiht werden

In einem mehrdimensionalen Designraum sind nicht alle Designoptionen gültig. Die Entwickler sind auch mit Einschränkungen konfrontiert. Bei elektronischen Schaltungen können dies Kosten, Stromverbrauch, gesetzliche Beschränkungen oder die physische Größe der Schaltung sein. Beim Entwurf von Quantenalgorithmen können diese Einschränkungen die Anzahl der Qubits, die Tiefe der Schaltung, die Bevorzugung bestimmter Gatter, ungleichmäßige Rauscheigenschaften und vieles mehr sein.

Das "beste" Design ist oft subjektiv. So wie ein C-Compiler die Codegröße, die Geschwindigkeit oder den Speicherverbrauch optimieren kann, hängt das optimale Design von den Präferenzen des Kunden ab.

Doch je größer und komplexer die Schaltkreise werden, desto exponentieller wächst die Zahl der möglichen Implementierungen. Ohne automatisierte Werkzeuge kann ein Quanten-Software-Ingenieur nur einen winzigen Bruchteil der möglichen Design-Implementierungen untersuchen. Bei einer solchen manuellen Erkundung wird wahrscheinlich die Gelegenheit verpasst, den Entwurf wesentlich zu optimieren. In einer Zeit, in der Quantencomputer in vielerlei Hinsicht begrenzt sind, bedeutet das Versäumnis, diese "Designschätze" zu finden, dass man nicht die optimale Leistung aus einem bestimmten Computer herausholen kann. In vielen Fällen kann es den Unterschied ausmachen, ob man eine brauchbare Lösung für ein Quantenproblem findet oder nicht.

Die Classiq-Quantensynthese-Engine erforscht zahlreiche Optionen im Bereich des Quantendesigns. Damit übertreffen Sie höchstwahrscheinlich jeden manuellen Prozess und erreichen Ihre Quantenziele Monate oder Jahre früher als die Konkurrenz.

Das nachstehende Video veranschaulicht eine solche automatische Erkundung.

‍

‍

Bildnachweis für das Vorschaubild dieses Beitrags: Gerlach, Joachim & Hardt, Wolfram & Eikerling, Heinz-josef & Rosenstiel, Wolfgang & Gregory, Brent. (1997). Transformation-based High Level Design Space Exploration.