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Anpassung des Algorithmus an den Quantencomputer und umgekehrt

27
September
,
2021
Yuval Boger

Als Aschenputtel ihren Schuh verlor, hatten die Lösungen keinen Freiheitsgrad mehr. Es gab nur eine Frau - so die Legende - die den magischen Schuh bequem tragen konnte.

Bei dem Versuch, einen Algorithmus mit einem Quantencomputer in Einklang zu bringen, gibt es glücklicherweise viel mehr Freiheitsgrade.

Die Notwendigkeit, sicherzustellen, dass "genügend Computer" vorhanden sind, um den Algorithmus auszuführen, ist symptomatisch für die derzeitige Begrenztheit von Quantencomputern. Wenn es weniger als 100 Qubits gibt und die Qubits verrauscht sind, kann nicht jeder Algorithmus erfolgreich ausgeführt werden.

Es gibt zwei Beweggründe für die Suche nach einer Anpassung: Die erste besteht darin, einen bestimmten Algorithmus auf einem bestehenden Quantencomputer auszuführen. Das zweite ist, zu verstehen, wie groß ein Quantencomputer sein muss, um eine bestimmte Version des Algorithmus auszuführen.

Was kann man tun, um die Passung zu finden? Eine ganze Menge, selbst wenn man nur im Bereich des Quantencomputings bleibt:

  • Vereinfachen Sie den Algorithmus.
  • Verwenden Sie einen Computer mit mehr Qubits.
  • Abwägung zwischen Qubits und Schaltungstiefe: Wenn zusätzliche Qubits zur Verfügung stehen, die mehr Ancilla-Qubits ermöglichen, kann die Schaltung manchmal flacher und damit weniger anfällig für Störungen werden.
  • Reduzieren Sie die gewünschte Genauigkeit. Beispielsweise ist die Zustandsvorbereitung (der Prozess des Ladens von Wahrscheinlichkeitsmassenfunktionen in Qubits) ein wichtiger Schritt in vielen Algorithmen, aber vielleicht müssen die Werte nicht zu 99,9 % genau sein, sondern 97 % Genauigkeit können auch genügen.
  • Ändern Sie die Reihenfolge der Operationen. Zum Beispiel (siehe diesen früheren Beitrag) könnte man bei der Berechnung von a*a-b*b zuerst a*a berechnen und dann daraus b*b berechnen, aber man könnte dies auch als (a+b)*(a-b) umschreiben, was vielleicht eine effizientere Implementierung ergibt.
  • Identifizieren Sie Qubits, die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Algorithmus nicht mehr benötigt werden, und verwenden Sie sie wieder.

Dieser Anpassungsprozess ist nicht nur akademisch. Selbst wenn man sich sicher ist, dass der gewünschte Algorithmus nicht auf die heutigen Quantencomputer passt, möchte man vielleicht wissen, wie groß der Computer sein muss, um ihn auszuführen, und somit in der Lage sein, zu extrapolieren, wie weit in der Zukunft diese Lösung machbar sein könnte.

Der Punkt ist, dass die Anpassung wichtig ist, aber möglicherweise viele Experimente erfordert. Solche Experimente sind jedoch mit Software-Entwurfswerkzeugen auf Gatterebene sehr schwierig durchzuführen. Das ist ein Grund, warum wir von der Classiq-Plattform für die Entwicklung von Quantenalgorithmen so begeistert sind, denn sie ermöglicht es dem Entwickler, die Randbedingungen nach Belieben zu ändern, und sucht dann automatisch nach einer Lösung, die diese Randbedingungen erfüllt.

Sehen Sie sich zum Beispiel das folgende Video an, in dem es darum geht, den richtigen Zeitpunkt für die Vorbereitung auf den Staat zu finden

Den richtigen Zeitpunkt für die staatliche Vorbereitung finden

Als Aschenputtel ihren Schuh verlor, hatten die Lösungen keinen Freiheitsgrad mehr. Es gab nur eine Frau - so die Legende - die den magischen Schuh bequem tragen konnte.

Bei dem Versuch, einen Algorithmus mit einem Quantencomputer in Einklang zu bringen, gibt es glücklicherweise viel mehr Freiheitsgrade.

Die Notwendigkeit, sicherzustellen, dass "genügend Computer" vorhanden sind, um den Algorithmus auszuführen, ist symptomatisch für die derzeitige Begrenztheit von Quantencomputern. Wenn es weniger als 100 Qubits gibt und die Qubits verrauscht sind, kann nicht jeder Algorithmus erfolgreich ausgeführt werden.

Es gibt zwei Beweggründe für die Suche nach einer Anpassung: Die erste besteht darin, einen bestimmten Algorithmus auf einem bestehenden Quantencomputer auszuführen. Das zweite ist, zu verstehen, wie groß ein Quantencomputer sein muss, um eine bestimmte Version des Algorithmus auszuführen.

Was kann man tun, um die Passung zu finden? Eine ganze Menge, selbst wenn man nur im Bereich des Quantencomputings bleibt:

  • Vereinfachen Sie den Algorithmus.
  • Verwenden Sie einen Computer mit mehr Qubits.
  • Abwägung zwischen Qubits und Schaltungstiefe: Wenn zusätzliche Qubits zur Verfügung stehen, die mehr Ancilla-Qubits ermöglichen, kann die Schaltung manchmal flacher und damit weniger anfällig für Störungen werden.
  • Reduzieren Sie die gewünschte Genauigkeit. Beispielsweise ist die Zustandsvorbereitung (der Prozess des Ladens von Wahrscheinlichkeitsmassenfunktionen in Qubits) ein wichtiger Schritt in vielen Algorithmen, aber vielleicht müssen die Werte nicht zu 99,9 % genau sein, sondern 97 % Genauigkeit können auch genügen.
  • Ändern Sie die Reihenfolge der Operationen. Zum Beispiel (siehe diesen früheren Beitrag) könnte man bei der Berechnung von a*a-b*b zuerst a*a berechnen und dann daraus b*b berechnen, aber man könnte dies auch als (a+b)*(a-b) umschreiben, was vielleicht eine effizientere Implementierung ergibt.
  • Identifizieren Sie Qubits, die zu einem bestimmten Zeitpunkt im Algorithmus nicht mehr benötigt werden, und verwenden Sie sie wieder.

Dieser Anpassungsprozess ist nicht nur akademisch. Selbst wenn man sich sicher ist, dass der gewünschte Algorithmus nicht auf die heutigen Quantencomputer passt, möchte man vielleicht wissen, wie groß der Computer sein muss, um ihn auszuführen, und somit in der Lage sein, zu extrapolieren, wie weit in der Zukunft diese Lösung machbar sein könnte.

Der Punkt ist, dass die Anpassung wichtig ist, aber möglicherweise viele Experimente erfordert. Solche Experimente sind jedoch mit Software-Entwurfswerkzeugen auf Gatterebene sehr schwierig durchzuführen. Das ist ein Grund, warum wir von der Classiq-Plattform für die Entwicklung von Quantenalgorithmen so begeistert sind, denn sie ermöglicht es dem Entwickler, die Randbedingungen nach Belieben zu ändern, und sucht dann automatisch nach einer Lösung, die diese Randbedingungen erfüllt.

Sehen Sie sich zum Beispiel das folgende Video an, in dem es darum geht, den richtigen Zeitpunkt für die Vorbereitung auf den Staat zu finden

Den richtigen Zeitpunkt für die staatliche Vorbereitung finden

Über "Der Podcast des Qubit-Typen"

Der Podcast wird von The Qubit Guy (Yuval Boger, unser Chief Marketing Officer) moderiert. In ihm diskutieren Vordenker der Quanteninformatik über geschäftliche und technische Fragen, die das Ökosystem der Quanteninformatik betreffen. Unsere Gäste geben interessante Einblicke in Quantencomputer-Software und -Algorithmen, Quantencomputer-Hardware, Schlüsselanwendungen für Quantencomputer, Marktstudien der Quantenindustrie und vieles mehr.

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