Un nou llenguatge per a la computació quàntica | Notícies del MIT


Cristalls del temps. Microones. Diamants. Què tenen en comú aquestes tres coses diferents?

Informàtica quàntica. A diferència dels ordinadors tradicionals que utilitzen bits, els ordinadors quàntics utilitzen qubits per codificar la informació com a zeros o uns, o tots dos al mateix temps. Juntament amb un còctel de forces de la física quàntica, aquestes màquines de la mida d’un refrigerador poden processar molta informació, però estan lluny de ser impecables. Igual que els nostres ordinadors habituals, hem de tenir els llenguatges de programació adequats per calcular correctament en ordinadors quàntics.

La programació d’ordinadors quàntics requereix la consciència d’alguna cosa que s’anomena “entrellaçament” a multiplicador computacional per a qubits de mena, que es tradueix en molt poder. Quan dos qubits s’entrellacen, les accions en un qubit poden canviar el valor de l’altre, fins i tot quan estiguin separats físicament, donant lloc a la caracterització d’Einstein d'”acció fantasmagòrica a distància”. Però aquesta potència és a parts iguals una font de debilitat. Quan es programa, descartar un qubit sense tenir en compte el seu entrellat amb un altre qubit pot destruir les dades emmagatzemades a l’altre, posant en perill la correcció del programa.

Científics de la informàtica i la intel·ligència artificial (CSAIL) del MIT pretenien desentranyar-se mitjançant la creació del seu propi llenguatge de programació per a la informàtica quàntica anomenat Twist. Twist pot descriure i verificar quines dades estan enredades en un programa quàntic, mitjançant un llenguatge que un programador clàssic pot entendre. El llenguatge utilitza un concepte anomenat puresa, que impedeix l’absència d’entrellaçament i dóna lloc a programes més intuïtius, idealment amb menys errors. Per exemple, un programador pot utilitzar Twist per dir que les dades temporals generades com a escombraries per un programa no s’entrellacen amb la resposta del programa, per la qual cosa es pot llençar de manera segura.

Tot i que el camp naixent pot semblar una mica cridaner i futurista, amb imatges de màquines d’or mamuts que vénen al cap, els ordinadors quàntics tenen potencial per a avenços computacionals en tasques clàssicament irresolubles, com els protocols criptogràfics i de comunicació, la cerca i la física i la química computacionals. Un dels reptes clau de les ciències computacionals és tractar la complexitat del problema i la quantitat de càlcul necessària. Mentre que un ordinador digital clàssic necessitaria un nombre exponencial molt gran de bits per poder processar aquesta simulació, un ordinador quàntic podria fer-ho, potencialment, utilitzant un nombre molt reduït de qubits, si hi ha els programes adequats.

“El nostre llenguatge Twist permet a un desenvolupador escriure programes quàntics més segurs indicant de manera explícita quan un qubit no s’ha d’entrellaçar amb un altre”, diu Charles Yuan, estudiant de doctorat del MIT en enginyeria elèctrica i informàtica i autor principal d’un nou treball. paper sobre Twist. “Com que entendre els programes quàntics requereix comprendre l’entrellat, esperem que Twist obri el camí cap a llenguatges que facin que els reptes únics de la informàtica quàntica siguin més accessibles per als programadors”.

Yuan va escriure el document al costat de Chris McNally, un estudiant de doctorat en enginyeria elèctrica i informàtica que està afiliat al Laboratori de Recerca d’Electrònica del MIT, així com el professor adjunt del MIT Michael Carbin. Van presentar la investigació a la conferència del Simposi 2022 sobre principis de programació de la setmana passada a Filadèlfia.

Desenredar l’entrellat quàntic

Imagineu una caixa de fusta que té mil cables que sobresurten d’un costat. Podeu treure qualsevol cable de la caixa o empènyer-lo fins dins.

Després de fer-ho durant una estona, els cables formen un patró de bits, zeros i uns, depenent de si estan dins o fora. Aquest quadre representa la memòria d’un ordinador clàssic. Un programa per a aquest ordinador és una seqüència d’instruccions sobre quan i com estirar els cables.

Ara imagineu una segona caixa d’aspecte idèntic. Aquesta vegada, tires d’un cable i veus que a mesura que surt, un parell de cables més es tornen a tirar cap a dins. És evident que, dins de la caixa, aquests cables estan d’alguna manera enredats entre si.

El segon quadre és una analogia per a un ordinador quàntic, i entendre el significat d’un programa quàntic requereix comprendre l’entrellat present a les seves dades. Però detectar l’entrellat no és senzill. No podeu veure dins la caixa de fusta, així que el millor que podeu fer és provar d’estirar els cables i raonar acuradament quins estan enredats. De la mateixa manera, els programadors quàntics avui dia han de raonar sobre l’entrellat a mà. Aquí és on el disseny de Twist ajuda a fer massatges algunes d’aquestes peces entrellaçades.

Els científics van dissenyar Twist perquè fos prou expressiu per escriure programes per a algorismes quàntics coneguts i identificar errors en les seves implementacions. Per avaluar el disseny de Twist, van modificar els programes per introduir algun tipus d’error que seria relativament subtil per a un programador humà i van demostrar que Twist podia identificar els errors automàticament i rebutjar els programes.

També van mesurar el rendiment dels programes a la pràctica en termes de temps d’execució, que tenia menys d’un 4% de sobrecàrrega sobre les tècniques de programació quàntica existents.

Per a aquells que desconfien de la reputació “sàpida” del quàntic pel seu potencial per trencar els sistemes de xifratge, Yuan diu que encara no se sap molt bé fins a quin punt els ordinadors quàntics seran realment capaços d’assolir les seves promeses de rendiment a la pràctica. “Hi ha molta investigació en criptografia postquàntica, que existeix perquè fins i tot la informàtica quàntica no és totpoderosa. Fins ara, hi ha un conjunt molt específic d’aplicacions en què la gent ha desenvolupat algorismes i tècniques on un ordinador quàntic pot superar els ordinadors clàssics”.

El següent pas important és utilitzar Twist per crear llenguatges de programació quàntica de nivell superior. La majoria dels llenguatges de programació quàntica d’avui encara s’assemblen al llenguatge ensamblador, encadenant operacions de baix nivell, sense tenir en compte coses com els tipus de dades i les funcions, i el que és típic de l’enginyeria de programari clàssica.

“Els ordinadors quàntics són propensos a errors i són difícils de programar. En introduir i raonar sobre la “puresa” del codi del programa, Twist fa un gran pas per facilitar la programació quàntica garantint que els bits quàntics d’una peça de codi pura no es poden alterar per bits que no estan en aquest codi”, diu Fred Chong. el professor Seymour Goodman d’informàtica a la Universitat de Chicago i científic en cap de Super.tech.

El treball va comptar amb el suport, en part, del MIT-IBM Watson AI Lab, la National Science Foundation i l’Oficina d’Investigació Naval.