M.Sc. Arianne Meijer-van de Griend puollustaa väitöskirjaansa "Advances in Quantum Compilation in the NISQ Era" perjantaina 26.1.2024 klo 13 Helsingin yliopiston Exactum-rakennuksen auditoriossa CK112 (Pietari Kalmin katu 5, pohjakerros). Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Alexandru Paler (Aalto-yliopisto) ja ja kustoksena professori Jukka K. Nurminen (Helsingin yliopisto). Väitöstilaisuus pidetään englanniksi. Väitöstilaisuutta voi seurata suorana verkkolähetyksenä osoitteessa https://video.helsinki.fi/unitube/live-stream.html?room=l16.
Arianne Meijer-van de Griendin väitöskirja on osa Helsingin yliopiston tietojenkäsittelytieteen osastolla ja Empirical Software Engineering -ryhmässä tehtävää tutkimusta. Väitöskirjatyön ohjaajina ovat toimineet professori Jukka K. Nurminen ja professori Sabrina Maniscalco (Helsingin yliopisto).
Kvanttiohjelmien kääntämisen kehittäminen NISQ-aikakaudella
Nykyään ensimmäiset kvanttitietokoneet ovat tutkijoiden ja harrastajien käytössä. Nykyiset kvanttitietokoneet ovat toistaiseksi rajoitettuja. Niissä on rajallinen määrä kvanttibittejä (kubitteja) tiedon tallentamiseen, ja näillä kubiteilla suoritetut laskutoimitukset voivat sisältää virheitä. Virheitä ei voida suoraan korjata, sillä kubitteja ei ole mahdollista lukea muuttamatta niiden tilaa. On olemassa tapoja kvanttitietokoneissa esiintyvien virheiden korjaamista varten, mutta niiden toteuttaminen vaatii huomattavasti nykyistä enemmän kubitteja. Näistä syistä nykyistä aikakautta kutsutaan Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) aikakaudeksi.
Tässä väitöskirjassa käsittelemme kvanttilaskennassa olevia haasteita NISQ-aikakaudella. Työn painopiste on kvanttiohjelmien kääntämisessä, jotta ne ovat ajettavissa nykyisillä NISQ-kvanttietokoneilla. NISQ-laitteiden korkean virheellisyyden vuoksi kvanttiohjelmien tulee olla huolellisesti optimoituja, jotta ylimääräisiä operaatioita ei tarvitse suorittaa. Lisäksi meidän tulee huomioida kubittien väliset kytkennät kvanttitietokoneissa. Esimerkiksi suprajohtavissa kvanttitietokoneissa jokainen kubitti on yhteydessä vain rajalliseen määrään kubitteja. Tästä syystä kvanttiohjelmat täytyy säätää niin, että kubittien väliset suoritukset sopivat yhteen kubittien välisten yhteyksien kanssa.
Tätä kubittien välisiin yhteyksiin liittyvää haastetta kutsutaan kubittien reititysongelmaksi. Nimi juontaa juurensa ongelman ratkaisusta, jossa kubitteja siirretään eli reititetään rekistereiden välillä. Tässä väitöskirjassa esitetään uusi strategia ongelman ratkaisuksi: ohjelman operaatioita muutetaan sen laskennallinen toiminnallisuus säilyttäen. Ratkaisussa ongelmaa lähestytään uudella ajatusmallilla, jossa kubittien sijoittelun sijaan kvanttioperaatioiden itsessään katsotaan olevan sopimattomia. Näin voimme luoda kvanttiohjelman uudelleen ottaen huomioon kvanttietokoneiden vaatimukset. Tätä kutsutaan kvanttiohjelmien kääntämiseksi.
Kvanttiohjelmien kääntämisen vaikeus on siinä, että meidän tulee tietää riittävästi ohjelman toiminnoista, jotta voimme muotoilla sen uudelleen, mutta samalla varmistua, että emme aja sitä. Muussa tapauksessa voisimme yksinkertaisesti ajaa kvanttiohjelman klassisella tietokoneella, mikä on yleensä sille liian vaativaa. Siksi esitämme kvanttiohjelman sarjana laskennallisia välivaiheita, joista uusi ohjelma generoidaan. Olemme kehittäneet kokonaisuuden algoritmeja, joiden avulla näistä välivaiheista saadaan luotuun kvanttiohjelmia, joiden toiminnot ovat välittömästi tuettuja kvanttitietokoneella. Osoitamme, että tällä tavalla saadaan aikaiseksi lyhyempiä kvanttialgoritmeja, joita voidaan hyödyntää kvanttitietokoneilla jo lähitulevaisuudessa. Lisäksi nämä algoritmit on toteutettu osana Quantinuum kvanttilaskentayrityksen TKET-ohjelmistoa (osana väitöskirjaa) sekä IBM:n Qiskit-ympäristöä (itsenäisesti).
Väitöskirjan saatavuus
Väitöskirjan elektroninen versio tulee olemaan saatavilla Helsingin yliopiston e-thesis-palvelussa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-84-0077-6.
Painettuja väitöskirjoja voi tiedustella väittelijältä itseltään: arianne.vandegriend@helsinki.fi.