Qiskit Aer: un framework per la simulazione dei circuiti quantistici ad elevate prestazioni

Questa settimana il team di Qiskit ha rilasciato un importante aggiornamento software con la prima release di Qiskit Aer 0.1. Qiskit Aer è un framework per la simulazione ad elevate prestazioni per studiare gli algoritmi quantistici a le applicazioni nell’ambito dell’utilizzo dei dispositivi NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum).

Il calcolo quantistico, per sua stessa natura, non può essere riprodotto in modo efficiente utilizzando i computer classici. Le risorse necessarie per simulare l’hardware quantistico aumentano esponenzialmente con il numero di qubit. Anche i più grandi supercomputer classici del mondo non saranno sufficienti per simulare l’hardware quantistico che verrà sviluppato nei prossimi anni.

I dispositivi che abbiamo invece a disposizione in questo momento storico (o che saranno disponibili nel brevissimo termine), sono invece “a scala intermedia”. Sebbene siano abbastanza grandi da rendere la loro simulazione intrattabile, non sono ancora sufficienti per implementare la piena correzione degli errori quantistici. Ciò significa che si verificheranno errori durante l’esecuzione di qualsiasi calcolo quantistico. Più lungo è il nostro programma quantistico, più questi errori si accumuleranno.

Questi errori sono inevitabili e possono assumere molte forme a seconda della fisica dei dispositivi. Per sviluppare algoritmi quantistici che siano resistenti nei confronti degli errori, abbiamo la necessità di approfondire la conoscenza del nostro nemico. Questo ci impone di avere un modello accurato degli errori che si verificano, nonché la possibilità di simulare i loro effetti. In tal modo saremo molto più attrezzati per esplorare le applicazioni quantistiche a breve termine con dispositivi NISQ.

Consideriamo, ad esempio, l’esecuzione di un circuito per preparare uno stato entangled a 3-qubit sia su un computer quantistico reale e sia su un simulatore quantistico (ideale).
Di seguito è riportato l’output previsto restituito da un simulatore:

Ora vediamo cosa succede quando eseguiamo questo algoritmo su un computer quantistico reale:

Si notano dei “picchi” extra. Questi sono dovuti al rumore e ad errori durante l’esecuzione. Più grande è il computer quantistico e più lungo è il calcolo, e più casuale sarà l’istogramma di output.

In che modo ci può aiutare Qiskit Aer?

Qiskit Aer è un simulatore ad alte prestazioni per Qiskit Terra che fornisce un modello di rumore altamente configurabile per lo studio del calcolo quantistico nel regime NISQ.
Il suo cuore è scritto in C ++ ed incorpora le caratteristiche dei simulatori online ad alte prestazioni di IBM. questo simulatore può essere preparato per funzionare sul proprio sistema, sia che si tratti di un laptop, di un desktop o di un server.

La prima versione include tre tipologie di backend di simulazione:

1. QASM Simulator è il principale backend Qiskit Aer. Questo backend emula l’esecuzione di un circuito quantistico su un dispositivo reale e restituisce i risultati delle misurazioni. Include modelli di rumore altamente configurabili e può persino essere caricato con modelli di rumore approssimativi generati automaticamente in base ai parametri di calibrazione dei dispositivi hardware effettivi.

2. Statevector Simulator è un backend ausiliario per Qiskit Aer. Simula l’esecuzione ideale di un circuito quantistico e restituisce il vettore dello stato quantistico finale del dispositivo al termine della simulazione. Questo è utile per imparare, ma anche per lo studio teorico e il debug degli algoritmi.

3. Unitary Simulator è un altro backend ausiliario per Qiskit Aer. Permette la simulazione della matrice unitaria finale implementata da un circuito quantistico ideale. E’ utile sia per imparare, che per studiare il funzionamento degli algoritmi.

Lo sviluppo di Qiskit Aer è frutto dell’impegno collettivo dei ricercatori IBM-Q Christopher J. Wood, Hiroshi Horii, Hitomi Takahashi, Juan Gomez Mosquera, Yael Ben-Haim, Gadi Aleksandrowski, Yehuda Naveh e John Gunnels della IBM TJ Watson Research Center, IBM Research Tokyo e IBM Research Haifa.