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A double full-stack architecture for multi-core quantum computers

Santiago Rodrigo Muñoz

Published Dec 18, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

(English) Despite its tremendous potential, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Continued progress in the fabrication and control of qubits is certainly required. However, there are hard limits to the number of qubits that can be integrated into a single chip. Multi-core quantum computing has been identified as a solution to the scalability problem of quantum computing, and included in the development roadmaps of the leading industry. Nevertheless, interconnecting quantum chips is not trivial, as quantum communications have their share of quantum weirdness. Quantum data cannot be copied, and decoherence is an unforgiving noise source for every qubit transfer, where every extra nanosecond counts and retransmission is physically impossible. Despite all these challenges, a comprehensive approach to quantum computer design based on multi-core architectures that leverages all the potential of quantum communications is crucial to unlocking the scalability issues. In this context, the present thesis aims to lay the foundations of such a communications-enabled multi-core quantum computing architecture, as a proposed vision for the ultimate success of quantum computing. Our goal is to design a multi-core architecture that entangles computing and communication with a complete understanding of their intertwining requirements. In this way, while putting together dozens of quantum cores (i.e. thousands or millions of qubits collaborating), we alleviate the requirements for control circuits and improve qubit isolation. In order to achieve this goal, we tackle three main tasks. First, we propose a layered approach for a double full-stack comms-enabled many-core quantum computer architecture (chapter 2), aligned with our vision. We aim to provide the basis for an architecture that may be technology-agnostic and intertwine quantum computing and communications. Secondly, using design space exploration, we carry out a scalability and feasibility study of multi-core quantum architectures. The first approach used analytical formulations (chapter 4), while at the end of the thesis, leveraging all the acquired knowledge, code-base analysis, and fully-fledged network simulations are employed, run within a framework developed also for this work (chapter 7). The results of the exploration let us also compare different existing qubit and quantum communication technologies (section 4.4.2). This work might facilitate future work for providing design guidelines and optimal operation ranges for efficient and scalable multi-core quantum computers. Finally, all this work needs to be backed by a study on short-range quantum communications. In particular, we have developed a model of quantum teleportation as a fitting candidate for inter-core communication technology (chapter 5). Moreover, we perform a thorough qubit traffic analysis on several algorithms and architectures that helps us see the bottlenecks and inefficiencies of such a network (sections 6.1 to 6.3). This leads to a latency and throughput analysis with real traffic together with the dimensioning of networking resources, completed by using a fully-fledged simulator developed for this thesis that models with high fidelity the different parts of a multi-core quantum computer (section 7.1). In addition, we have started the development of an efficient MAC protocol specific to our use case (section 6.4), which we believe will complete the architecture design and communications modeling. With the results of this thesis, we hope to contribute with design guidelines that may enable multi-core quantum architectures to unleash the potential of quantum computing. (Español) pesar de su gran potencial, es difícil de prever cómo escalará la computación cuántica para satisfacer los requisitos de sus aplicaciones más poderosas. Sin duda es necesaria la mejora en la fabricación y el control de qubits. Sin embargo, existen límites estrictos para la cantidad de qubits que se pueden integrar en un solo chip. Como solució, se ha propuesta la computación cuántica multinúcleo, que ya protagoniza las hojas de ruta de la industria puntera. Sin embargo, interconectar chips cuánticos no es trivial, al tener las comunicaciones cuánticas sus particularidades. Los datos cuánticos no se pueden copiar y la decoherencia es una fuente de ruido implacable: cada nanosegundo cuenta y la retransmisión es físicamente imposible. A pesar de todos estos desafíos, un enfoque integral para el diseño de computadoras cuánticas basado en arquitecturas multinúcleo que aproveche todo el potencial de las comunicaciones cuánticas es crucial para desbloquear los problemas de escalabilidad. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivo sentar las bases de tal arquitectura, en la que las comunicaciones juegan un papel fundamental. Nuestro objetivo es diseñar una arquitectura multinúcleo que combine la informática y la comunicación con una comprensión completa de sus requisitos entrelazados. De esta manera, uniendo decenas de núcleos cuánticos (es decir, miles o millones de qubits colaborando), aliviamos a su vez los requisitos de los circuitos de control y mejoramos el aislamiento de los qubits. Para lograr este objetivo, abordamos tres tareas principales. En primer lugar, proponemos un enfoque en capas para una arquitectura de computadora cuántica multinúcleo que entrelaza computación y comunicación (capítulo 2), alineada con nuestra visión. Nuestro objetivo es proporcionar la base para una arquitectura que pueda ser independiente de la tecnología y entrelace la computación cuántica y las comunicaciones. En segundo lugar, utilizando la técnica de exploración del espacio de diseño, llevamos a cabo un estudio de escalabilidad y viabilidad de arquitecturas cuánticas multinúcleo. En el primer estudio se han utilizado formulaciones analíticas (capítulo 4), mientras que al final de la tesis, aprovechando todo el conocimiento adquirido, se emplean análisis basados en código compilado y en simulaciones completas, ejecutadas dentro de un marco desarrollado también para este trabajo (capítulo 7). Los resultados de la exploración además nos han permitido comparar diferentes tecnologías de comunicación cuántica y qubit existentes (sección 4.4.2). Este trabajo podría facilitar el trabajo futuro para proporcionar pautas de diseño y rangos de operación óptimos para computadoras cuánticas multinúcleo eficientes y escalables. Finalmente, todo este trabajo ha necesitado estar acompañado por un estudio sobre comunicaciones cuánticas de corto alcance. En particular, hemos desarrollado un modelo de teletransportación cuántica como candidato adecuado para la tecnología de comunicación entre núcleos (capítulo 5). Además, hemos realizado un análisis exhaustivo del tráfico de qubits en varios algoritmos y arquitecturas que nos ayuda a ver los cuellos de botella y las ineficiencias de dicha red (secciones 6.1 a 6.3). Esto nos ha conducido a un análisis de latencia y rendimiento con tráfico real junto con el dimensionamiento de los recursos de red, completado mediante el uso de un completo simulador -desarrollado para esta tesis- que modela con alta fidelidad las diferentes partes de un ordenador cuántico multinúcleo (apartado 7.1). Además, hemos dado los primeros pasos en el desarrollo de un protocolo MAC eficiente, específico para nuestro caso de uso (sección 6.4), que creemos completará el diseño de la arquitectura y el modelado de comunicaciones. Con los resultados de esta tesis, esperamos contribuir con pautas de diseño que puede permitir que las arquitecturas cuánticas de múltiples núcleos liberen el potencial de la computación cuántica.

DOI
10.5821/dissertation-2117-405941

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Santiago Rodrigo, Sergi Abadal, Eduard Alarcón +3 more

Despite its tremendous potential, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Among other issues, there are hard limits to the number of qubits that can be integrated into a single chip. Multicore architectures are a firm candidate for unlocking the scalability of quantum processors. Nonetheless, the vulnerability and complexity of quantum communications make this a challenging approach. A comprehensive design should imply consolidating the communications stack in the quantum computer architecture. In this article, we explain how this vision, by entangling communications and computation in the core of the design, may help to solve the open challenges. We also summarize the first results of our application of structured design methodologies backing this vision. With our work, we hope to contribute with design guidelines that may help unleash the potential of quantum computing.

IEEE Micro•Jun 28, 2021•23 citations

Control cuántico óptimo realimentado de un qubit de estado sólido

Sebastián García Cutillas

El control es una rama interdisciplinar entre la ingeniería y las matemáticas, cuyo objetivo es la manipulación activa del comportamiento de cualquier sistema dinámico. Actualmente, con el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dispositivos cuyas leyes vienen dictadas por la mecánica cuántica, el desarrollo de técnicas de control aplicadas a estos sistemas se ha convertido en una prioridad para el desarrollo tecnológico actual. \nEl principal problema radica en que algunas cualidades de la mecánica cuántica no permiten pasar fácilmente el esquema del control clásico al ámbito cuántico. Clásicamente, es posible adquirir toda la información necesaria y emplearla de manera eficiente para retroalimentar el sistema y especializar la acción de control al estado actual. Por el contrario, en un sistema cuántico no toda la información es asequible mediante una medición y, además, todo intento de medir el sistema lo perturba de manera notable. Técnicamente, las ecuaciones dinámicas en un proceso tal son ecuaciones diferenciales estocásticas (SDE1) no lineales en lugar de las ecuaciones diferenciales deterministas de los sistemas clásicos. \nEl dominio de las tecnologías cuánticas se divide en cuatro campos destacables [1]: Sensores cuánticos, donde la alta sensibilidad de los sistemas cuánticos a las perturbaciones se aprovecha para mejorar la precisión de las medidas de magnitudes físicas; Comunicación cuántica, donde los fotones se usan para transmitir datos e información de una manera segura; Simulación cuántica, donde un sistema cuántico controlado puede simular el comportamiento de otro sistema cuántico menos accesible; y Computación cuántica, donde mediante los fenómenos cuánticos se puede conseguir una disminución drástica del tiempo de computación en cálculos numéricos. \nSabiendo los campos de actuación de estas tecnologías y mirando al futuro, del mismo modo que el transistor supone actualmente un elemento imprescindible en la industria, parece difícil no creer que las tecnologías cuánticas supondrán una revolución en sectores como la industria aeroespacial, automotriz o manufacturera, así como en salud, agricultura o finanzas. \nEl desarrollo de las tecnologías cuánticas ha conseguido captar mucha atención en las últimas décadas. Como aparece explicado en [1], parte de este impulso se debe al “Quantum Manifesto”, un documento generado en 2016 por la comunidad científica donde se realiza un llamamiento a gobiernos e industrias para apoyar esta tecnología. El interés generado por este documento fue respondido por la Comisión Europa mediante un proyecto de 10 años de duración (Flagship) y con una inversión de más de un billón de euros iniciales, aumentando en volumen cada año que pasa. Por otro lado, potencias mundiales como China, Rusia, Australia, Estados Unidos o Canadá son actualmente líderes en el desarrollo de tecnologías cuánticas. A nivel empresarial, compañías como Intel, HP, Toshiba y Microsoft, con IMB y Google a la cabeza, apuestan por la investigación en los campos de las tecnologías cuánticas como la computación y la comunicación cuánticas. \nCon este trabajo se pretende desarrollar un proyecto de investigación enfocado a la simulación numérica de la dinámica y control de un Qubit (bit cuántico): la nueva unidad de información elemental de la teoría de la información cuántica. A diferencia de un bit clásico que solo presenta dos estados posibles, un bit cuántico puede presentar ambos estados al mismo tiempo, es decir, el estado de un Qubit es una combinación lineal de los estados elementales de un bit clásico. \nEsta característica es la que define el potencial de los Qubits como nueva tecnología. Por este mismo motivo, el Qubit, como su propio nombre indica, es un sistema cuántico, estando sometido y regido por las leyes de estos. \nEn el primer capítulo del trabajo, se realizará una breve introducción a las tecnologías cuánticas, ilustrando el formalismo cuántico a través de la computación cuántica. En esta sección, se estudiará el Qubit, sus estados y las operaciones a las que son sometidos. En el segundo capítulo, se introducirá el modelo de control empleado para sistemas cuánticos en general, concretando para la dinámica y control de un Qubit. En el siguiente capítulo, analizaremos los resultados obtenidos a través de las diferentes simulaciones llevadas a cabo mediante métodos numéricos. En este punto, comprobaremos qué tan bueno es el control propuesto en la bibliografía para un Qubit y si es robusto ante diferentes situaciones. Se cerrará el proyecto con un capítulo dedicado a las conclusiones extraídas y los posibles trabajos de interés que se pueden realizar en un futuro.

•Oct 1, 2019•0 citations

Implementación del algoritmo de Grover en los ordenadores cuánticos de IBM

María del Carmen López López

La computación clásica forma parte de nuestro día a día y ha sido uno de los pilares que ha impulsado la innovación en las últimas décadas. Sin embargo, hay problemas que esta tecnología no es capaz de resolver o es muy poco eficiente hacerlo de esta manera. Aquí es donde entra en juego la computación cuántica, campo en el cual se están alcanzando progresos significativos. La principal diferencia entre la computación clásica y la cuántica es que en esta última se hace uso de fenómenos cuánticos, tales como la superposición y el entrelazamiento. Para ello la computación cuántica se basa en el uso de qubits o bits cuánticos, dejando de lado los bits clásicos y los sistemas lógicos empleados por los sistemas informáticos convencionales. Esta tecnología resulta de gran interés actualmente por su enorme potencial, que supone la posibilidad de revolucionar el mundo de la computación. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación. También permite la resolución de problemas intratables anteriormente. En general, los ordenadores cuánticos, debido a su gran capacidad de manejo de datos, nos ofrecen la posibilidad de impulsar grandes avances en diversos campos, desde la ingeniería hasta la investigación farmacéutica, por ejemplo. En este trabajo se aborda el estudio del algoritmo cuántico de Grover, que resuelve el problema de encontrar una entrada en una base de datos desestructurada. En primer lugar se introducen los conceptos básicos para la comprensión del algoritmo, tales como el oráculo y la amplificación de amplitud. Posteriormente se tratan las mejoras respecto de los algoritmos de búsqueda clásicos y el hecho de que el algoritmo de Grover es óptimo. Esto completa la parte de desarrollo teórico. Posteriormente se presenta una componente de simulación en la plataforma IBM Quantum Experience para las diferentes situaciones propuestas. Más tarde se lleva a cabo la implementación real del algoritmo en los ordenadores cuánticos de IBM así como la implementación mitigando en cierta medida el error propio de los ordenadores cuánticos. Finalmente, se comentan algunas aplicaciones dentro del gran abanico de aplicaciones existentes a día de hoy.

•Jun 27, 2020•0 citations

Exploring a Double Full-Stack Communications-Enabled Architecture for Multi-Core Quantum Computers

Santiago Rodrigo, Sergi Abadal, Eduard Alarcón +1 more

Being a very promising technology, with impressive advances in the recent years, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Although continued progress in the fabrication and control of qubits is required, quantum computing scalability will depend as well on a comprehensive architectural design considering a multi-core approach as an alternative to the traditional monolithic version, hence including a communications perspective. However, this goes beyond introducing mere interconnects. Rather, it implies consolidating the full communications stack in the quantum computer architecture. In this paper, we propose a double full-stack architecture encompassing quantum computation and quantum communications, which we use to address the monolithic versus multi-core question with a structured design methodology. For that, we revisit the different quantum computing layers to capture and model their essence by highlighting the open design variables and performance metrics. Using behavioral models and actual measurements from existing quantum computers, the results of simulations suggest that multi-core architectures may effectively unleash the full quantum computer potential.

arXiv:2009.08186•Sep 17, 2020•5 citations

Will Quantum Computers Scale Without Inter-Chip Comms? A Structured Design Exploration to the Monolithic vs Distributed Architectures Quest

Santiago Rodrigo, Sergi Abadal, Eduard Alarcón +1 more

Being a very promising technology, with impressive advances in the recent years, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Although continued progress in the fabrication and control of qubits is required, quantum computing scalability will depend as well on a comprehensive architectural design considering a distributed multi-core approach as an alternative to the traditional monolithic version, hence including a communications perspective. However, this goes beyond introducing mere interconnects. Rather, it implies consolidating the full communications stack in the quantum computer structure. In this paper, we propose a double full-stack architecture encompassing quantum computation and quantum communications, which we use to address the monolithic versus distributed question with a structured design methodology. For that, we revisit the different quantum computing layers to capture and model their essence by highlighting the open design variables and performance metrics. Using behavioral models and actual measurements from existing quantum computers, the results of simulations suggest that multicore architectures may effectively unleash the full quantum computer potential.

Conference on Design of Circuits and Integrated Systems•Nov 18, 2020•13 citations

On the hardness of the hidden subspaces problem with and without noise. Cryptanalysis of Aaronson-Christiano’s quantum money scheme

Marta Conde Pena

[ES] El boom de internet ha marcado el comienzo de la era digital y ésta ha traído consigo un desarrollo espectacular de las tecnologías de la información y de las comunicaciones, entre las que la criptografía es la reina. La criptografía de clave pública actual está basada principalmente en dos problemas que la comunidad criptográfica asume como difíciles: la factorización y el logaritmo discreto. Sin embargo, si se llegase a construir un computador cuántico lo suficientemente potente, esta dificultad no sería tal. Así pues, la computación cuántica pondría en un grave aprieto a la criptografía moderna y, puesto que la trayectoria reciente del campo sugiere que ésta podría convertirse en una realidad en un futuro no muy lejano, la comunidad criptográfica ha comenzado a explorar otras opciones para estar lista en caso de que se logre construir un computador cuántico eficiente. Esto ha dado un im- pulso a lo que se conoce como criptografía post-cuántica, aquella cuya dificultad no se vería afectada por este nuevo paradigma de computación y que está basada en los llamados problemas resistentes a la computación cuántica. La criptografía post-cuántica ha suscitado mucho interés recientemente y actualmente está en proceso de estandarización, por lo que en el momento de iniciar esta tesis resultaba relevante estudiar problemas supuestamente resistentes al computador cuántico. La parte central de esta tesis es el análisis de la dificultad del problema de los subespacios ocultos (HSP por sus siglas en inglés) y del problema de los subespacios ocultos con ruido (NHSP), dos problemas resistentes al computador cuántico según sus autores. Además de la relevancia que su supuesta resistencia a la computación cuántica les confiere, estos dos problemas son también importantes porque en su dificultad se sustenta la seguridad de las dos versiones del primer esquema de dinero cuántico de clave pública que cuenta con una prueba de seguridad. Este primer esquema es el de Aaronson-Christiano, que implementa dinero cuántico — un tipo de dinero que explota las leyes de la mecánica cuántica para crear dinero infalsificable — que cualquiera puede verificar. Los resultados obtenidos acerca de la dificultad del HSP y del NHSP tienen un impacto directo sobre la seguridad del esquema de Aaronson-Christiano, lo cual nos motivó a centrar esta tesis en estos dos problemas. El Capítulo 3 contiene nuestros resultados acerca del problema de los subespacios ocultos y está fundamentalmente basado en nuestro trabajo [Conde Pena et al.,2015]. Los autores del HSP lo definieron originalmente sobre el cuerpo binario, pero nosotros extendemos la definición a cualquier otro cuerpo finito de orden primo, siempre considerando que la instanciación es la que los autores proponen. Después de modelar el HSP con un sistema de ecuaciones con buenas propiedades, usamos técnicas de criptoanálisis algebraico para explorar el sistema en profundidad. Para el HSP sobre cualquier cuerpo que no sea el binario diseñamos un algoritmo que resuelve de manera eficiente instancias que satisfacen una cierta condición. Utilizando técnicas distintas, construimos un algoritmo heurístico, sustentado por argumentos teóricos, que resuelve eficientemente instancias del HSP sobre el cuerpo binario. Ambos algo-ritmos comprometen la dificultad del HSP siempre que las instancias del problema sean escogidas como Aaronson-Christiano proponen. Como consecuencia, nuestros algoritmos vulneran la seguridad de la versión del esquema sin ruido. El capítulo 4 contiene nuestros resultados acerca del problema de los subespacios ocultos con ruido y está fundamentalmente basado en nuestro trabajo [Conde Pena et al., 2018]. Al igual que con el HSP, extendemos la definición del NHSP a cualquier otro cuerpo de orden primo y consideramos instancias generadas como especifi- can Aaronson-Christiano. Mostramos que el NHSP se puede reducir al HSP sobre cualquier cuerpo primo que no sea el binario para ciertas instancias, mientras que el NHSP sobre el cuerpo binario se puede resolver con una probabilidad mayor de la asumida por los autores en la conjetura sobre la que la seguridad de su esquema con ruido se sustenta. Aunque nuestros resultados se obtienen desde un punto de vista puramente no cuántico, durante el desarrollo de esta tesis otro autor demostró que existe una reducción cuántica del NHSP al HSP también en el caso binario. Por tanto, la dificultad del NHSP y la seguridad del esquema de Aaronson-Christiano con ruido se han visto comprometidas por nuestros descubrimientos acerca del HSP.

•Jan 1, 2018•0 citations
(English) Despite its tremendous potential, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Continued progress in the fabrication and control of qubits is certainly required. However, there are hard limits to the number of qubits that can be integrated into a single chip. Multi-core quantum computing has been identified as a solution to the scalability problem of quantum computing, and included in the development roadmaps of the leading industry. Nevertheless, interconnecting quantum chips is not trivial, as quantum communications have their share of quantum weirdness. Quantum data cannot be copied, and decoherence is an unforgiving noise source for every qubit transfer, where every extra nanosecond counts and retransmission is physically impossible. Despite all these challenges, a comprehensive approach to quantum computer design based on multi-core architectures that leverages all the potential of quantum communications is crucial to unlocking the scalability issues. In this context, the present thesis aims to lay the foundations of such a communications-enabled multi-core quantum computing architecture, as a proposed vision for the ultimate success of quantum computing. Our goal is to design a multi-core architecture that entangles computing and communication with a complete understanding of their intertwining requirements. In this way, while putting together dozens of quantum cores (i.e. thousands or millions of qubits collaborating), we alleviate the requirements for control circuits and improve qubit isolation. In order to achieve this goal, we tackle three main tasks. First, we propose a layered approach for a double full-stack comms-enabled many-core quantum computer architecture (chapter 2), aligned with our vision. We aim to provide the basis for an architecture that may be technology-agnostic and intertwine quantum computing and communications. Secondly, using design space exploration, we carry out a scalability and feasibility study of multi-core quantum architectures. The first approach used analytical formulations (chapter 4), while at the end of the thesis, leveraging all the acquired knowledge, code-base analysis, and fully-fledged network simulations are employed, run within a framework developed also for this work (chapter 7). The results of the exploration let us also compare different existing qubit and quantum communication technologies (section 4.4.2). This work might facilitate future work for providing design guidelines and optimal operation ranges for efficient and scalable multi-core quantum computers. Finally, all this work needs to be backed by a study on short-range quantum communications. In particular, we have developed a model of quantum teleportation as a fitting candidate for inter-core communication technology (chapter 5). Moreover, we perform a thorough qubit traffic analysis on several algorithms and architectures that helps us see the bottlenecks and inefficiencies of such a network (sections 6.1 to 6.3). This leads to a latency and throughput analysis with real traffic together with the dimensioning of networking resources, completed by using a fully-fledged simulator developed for this thesis that models with high fidelity the different parts of a multi-core quantum computer (section 7.1). In addition, we have started the development of an efficient MAC protocol specific to our use case (section 6.4), which we believe will complete the architecture design and communications modeling. With the results of this thesis, we hope to contribute with design guidelines that may enable multi-core quantum architectures to unleash the potential of quantum computing. (Español) pesar de su gran potencial, es difícil de prever cómo escalará la computación cuántica para satisfacer los requisitos de sus aplicaciones más poderosas. Sin duda es necesaria la mejora en la fabricación y el control de qubits. Sin embargo, existen límites estrictos para la cantidad de qubits que se pueden integrar en un solo chip. Como solució, se ha propuesta la computación cuántica multinúcleo, que ya protagoniza las hojas de ruta de la industria puntera. Sin embargo, interconectar chips cuánticos no es trivial, al tener las comunicaciones cuánticas sus particularidades. Los datos cuánticos no se pueden copiar y la decoherencia es una fuente de ruido implacable: cada nanosegundo cuenta y la retransmisión es físicamente imposible. A pesar de todos estos desafíos, un enfoque integral para el diseño de computadoras cuánticas basado en arquitecturas multinúcleo que aproveche todo el potencial de las comunicaciones cuánticas es crucial para desbloquear los problemas de escalabilidad. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivo sentar las bases de tal arquitectura, en la que las comunicaciones juegan un papel fundamental. Nuestro objetivo es diseñar una arquitectura multinúcleo que combine la informática y la comunicación con una comprensión completa de sus requisitos entrelazados. De esta manera, uniendo decenas de núcleos cuánticos (es decir, miles o millones de qubits colaborando), aliviamos a su vez los requisitos de los circuitos de control y mejoramos el aislamiento de los qubits. Para lograr este objetivo, abordamos tres tareas principales. En primer lugar, proponemos un enfoque en capas para una arquitectura de computadora cuántica multinúcleo que entrelaza computación y comunicación (capítulo 2), alineada con nuestra visión. Nuestro objetivo es proporcionar la base para una arquitectura que pueda ser independiente de la tecnología y entrelace la computación cuántica y las comunicaciones. En segundo lugar, utilizando la técnica de exploración del espacio de diseño, llevamos a cabo un estudio de escalabilidad y viabilidad de arquitecturas cuánticas multinúcleo. En el primer estudio se han utilizado formulaciones analíticas (capítulo 4), mientras que al final de la tesis, aprovechando todo el conocimiento adquirido, se emplean análisis basados en código compilado y en simulaciones completas, ejecutadas dentro de un marco desarrollado también para este trabajo (capítulo 7). Los resultados de la exploración además nos han permitido comparar diferentes tecnologías de comunicación cuántica y qubit existentes (sección 4.4.2). Este trabajo podría facilitar el trabajo futuro para proporcionar pautas de diseño y rangos de operación óptimos para computadoras cuánticas multinúcleo eficientes y escalables. Finalmente, todo este trabajo ha necesitado estar acompañado por un estudio sobre comunicaciones cuánticas de corto alcance. En particular, hemos desarrollado un modelo de teletransportación cuántica como candidato adecuado para la tecnología de comunicación entre núcleos (capítulo 5). Además, hemos realizado un análisis exhaustivo del tráfico de qubits en varios algoritmos y arquitecturas que nos ayuda a ver los cuellos de botella y las ineficiencias de dicha red (secciones 6.1 a 6.3). Esto nos ha conducido a un análisis de latencia y rendimiento con tráfico real junto con el dimensionamiento de los recursos de red, completado mediante el uso de un completo simulador -desarrollado para esta tesis- que modela con alta fidelidad las diferentes partes de un ordenador cuántico multinúcleo (apartado 7.1). Además, hemos dado los primeros pasos en el desarrollo de un protocolo MAC eficiente, específico para nuestro caso de uso (sección 6.4), que creemos completará el diseño de la arquitectura y el modelado de comunicaciones. Con los resultados de esta tesis, esperamos contribuir con pautas de diseño que puede permitir que las arquitecturas cuánticas de múltiples núcleos liberen el potencial de la computación cuántica.
Despite its tremendous potential, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Among other issues, there are hard limits to the number of qubits that can be integrated into a single chip. Multicore architectures are a firm candidate for unlocking the scalability of quantum processors. Nonetheless, the vulnerability and complexity of quantum communications make this a challenging approach. A comprehensive design should imply consolidating the communications stack in the quantum computer architecture. In this article, we explain how this vision, by entangling communications and computation in the core of the design, may help to solve the open challenges. We also summarize the first results of our application of structured design methodologies backing this vision. With our work, we hope to contribute with design guidelines that may help unleash the potential of quantum computing.
El control es una rama interdisciplinar entre la ingeniería y las matemáticas, cuyo objetivo es la manipulación activa del comportamiento de cualquier sistema dinámico. Actualmente, con el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dispositivos cuyas leyes vienen dictadas por la mecánica cuántica, el desarrollo de técnicas de control aplicadas a estos sistemas se ha convertido en una prioridad para el desarrollo tecnológico actual. \nEl principal problema radica en que algunas cualidades de la mecánica cuántica no permiten pasar fácilmente el esquema del control clásico al ámbito cuántico. Clásicamente, es posible adquirir toda la información necesaria y emplearla de manera eficiente para retroalimentar el sistema y especializar la acción de control al estado actual. Por el contrario, en un sistema cuántico no toda la información es asequible mediante una medición y, además, todo intento de medir el sistema lo perturba de manera notable. Técnicamente, las ecuaciones dinámicas en un proceso tal son ecuaciones diferenciales estocásticas (SDE1) no lineales en lugar de las ecuaciones diferenciales deterministas de los sistemas clásicos. \nEl dominio de las tecnologías cuánticas se divide en cuatro campos destacables [1]: Sensores cuánticos, donde la alta sensibilidad de los sistemas cuánticos a las perturbaciones se aprovecha para mejorar la precisión de las medidas de magnitudes físicas; Comunicación cuántica, donde los fotones se usan para transmitir datos e información de una manera segura; Simulación cuántica, donde un sistema cuántico controlado puede simular el comportamiento de otro sistema cuántico menos accesible; y Computación cuántica, donde mediante los fenómenos cuánticos se puede conseguir una disminución drástica del tiempo de computación en cálculos numéricos. \nSabiendo los campos de actuación de estas tecnologías y mirando al futuro, del mismo modo que el transistor supone actualmente un elemento imprescindible en la industria, parece difícil no creer que las tecnologías cuánticas supondrán una revolución en sectores como la industria aeroespacial, automotriz o manufacturera, así como en salud, agricultura o finanzas. \nEl desarrollo de las tecnologías cuánticas ha conseguido captar mucha atención en las últimas décadas. Como aparece explicado en [1], parte de este impulso se debe al “Quantum Manifesto”, un documento generado en 2016 por la comunidad científica donde se realiza un llamamiento a gobiernos e industrias para apoyar esta tecnología. El interés generado por este documento fue respondido por la Comisión Europa mediante un proyecto de 10 años de duración (Flagship) y con una inversión de más de un billón de euros iniciales, aumentando en volumen cada año que pasa. Por otro lado, potencias mundiales como China, Rusia, Australia, Estados Unidos o Canadá son actualmente líderes en el desarrollo de tecnologías cuánticas. A nivel empresarial, compañías como Intel, HP, Toshiba y Microsoft, con IMB y Google a la cabeza, apuestan por la investigación en los campos de las tecnologías cuánticas como la computación y la comunicación cuánticas. \nCon este trabajo se pretende desarrollar un proyecto de investigación enfocado a la simulación numérica de la dinámica y control de un Qubit (bit cuántico): la nueva unidad de información elemental de la teoría de la información cuántica. A diferencia de un bit clásico que solo presenta dos estados posibles, un bit cuántico puede presentar ambos estados al mismo tiempo, es decir, el estado de un Qubit es una combinación lineal de los estados elementales de un bit clásico. \nEsta característica es la que define el potencial de los Qubits como nueva tecnología. Por este mismo motivo, el Qubit, como su propio nombre indica, es un sistema cuántico, estando sometido y regido por las leyes de estos. \nEn el primer capítulo del trabajo, se realizará una breve introducción a las tecnologías cuánticas, ilustrando el formalismo cuántico a través de la computación cuántica. En esta sección, se estudiará el Qubit, sus estados y las operaciones a las que son sometidos. En el segundo capítulo, se introducirá el modelo de control empleado para sistemas cuánticos en general, concretando para la dinámica y control de un Qubit. En el siguiente capítulo, analizaremos los resultados obtenidos a través de las diferentes simulaciones llevadas a cabo mediante métodos numéricos. En este punto, comprobaremos qué tan bueno es el control propuesto en la bibliografía para un Qubit y si es robusto ante diferentes situaciones. Se cerrará el proyecto con un capítulo dedicado a las conclusiones extraídas y los posibles trabajos de interés que se pueden realizar en un futuro.
La computación clásica forma parte de nuestro día a día y ha sido uno de los pilares que ha impulsado la innovación en las últimas décadas. Sin embargo, hay problemas que esta tecnología no es capaz de resolver o es muy poco eficiente hacerlo de esta manera. Aquí es donde entra en juego la computación cuántica, campo en el cual se están alcanzando progresos significativos. La principal diferencia entre la computación clásica y la cuántica es que en esta última se hace uso de fenómenos cuánticos, tales como la superposición y el entrelazamiento. Para ello la computación cuántica se basa en el uso de qubits o bits cuánticos, dejando de lado los bits clásicos y los sistemas lógicos empleados por los sistemas informáticos convencionales. Esta tecnología resulta de gran interés actualmente por su enorme potencial, que supone la posibilidad de revolucionar el mundo de la computación. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación. También permite la resolución de problemas intratables anteriormente. En general, los ordenadores cuánticos, debido a su gran capacidad de manejo de datos, nos ofrecen la posibilidad de impulsar grandes avances en diversos campos, desde la ingeniería hasta la investigación farmacéutica, por ejemplo. En este trabajo se aborda el estudio del algoritmo cuántico de Grover, que resuelve el problema de encontrar una entrada en una base de datos desestructurada. En primer lugar se introducen los conceptos básicos para la comprensión del algoritmo, tales como el oráculo y la amplificación de amplitud. Posteriormente se tratan las mejoras respecto de los algoritmos de búsqueda clásicos y el hecho de que el algoritmo de Grover es óptimo. Esto completa la parte de desarrollo teórico. Posteriormente se presenta una componente de simulación en la plataforma IBM Quantum Experience para las diferentes situaciones propuestas. Más tarde se lleva a cabo la implementación real del algoritmo en los ordenadores cuánticos de IBM así como la implementación mitigando en cierta medida el error propio de los ordenadores cuánticos. Finalmente, se comentan algunas aplicaciones dentro del gran abanico de aplicaciones existentes a día de hoy.
Being a very promising technology, with impressive advances in the recent years, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Although continued progress in the fabrication and control of qubits is required, quantum computing scalability will depend as well on a comprehensive architectural design considering a multi-core approach as an alternative to the traditional monolithic version, hence including a communications perspective. However, this goes beyond introducing mere interconnects. Rather, it implies consolidating the full communications stack in the quantum computer architecture. In this paper, we propose a double full-stack architecture encompassing quantum computation and quantum communications, which we use to address the monolithic versus multi-core question with a structured design methodology. For that, we revisit the different quantum computing layers to capture and model their essence by highlighting the open design variables and performance metrics. Using behavioral models and actual measurements from existing quantum computers, the results of simulations suggest that multi-core architectures may effectively unleash the full quantum computer potential.
Being a very promising technology, with impressive advances in the recent years, it is still unclear how quantum computing will scale to satisfy the requirements of its most powerful applications. Although continued progress in the fabrication and control of qubits is required, quantum computing scalability will depend as well on a comprehensive architectural design considering a distributed multi-core approach as an alternative to the traditional monolithic version, hence including a communications perspective. However, this goes beyond introducing mere interconnects. Rather, it implies consolidating the full communications stack in the quantum computer structure. In this paper, we propose a double full-stack architecture encompassing quantum computation and quantum communications, which we use to address the monolithic versus distributed question with a structured design methodology. For that, we revisit the different quantum computing layers to capture and model their essence by highlighting the open design variables and performance metrics. Using behavioral models and actual measurements from existing quantum computers, the results of simulations suggest that multicore architectures may effectively unleash the full quantum computer potential.
[ES] El boom de internet ha marcado el comienzo de la era digital y ésta ha traído consigo un desarrollo espectacular de las tecnologías de la información y de las comunicaciones, entre las que la criptografía es la reina. La criptografía de clave pública actual está basada principalmente en dos problemas que la comunidad criptográfica asume como difíciles: la factorización y el logaritmo discreto. Sin embargo, si se llegase a construir un computador cuántico lo suficientemente potente, esta dificultad no sería tal. Así pues, la computación cuántica pondría en un grave aprieto a la criptografía moderna y, puesto que la trayectoria reciente del campo sugiere que ésta podría convertirse en una realidad en un futuro no muy lejano, la comunidad criptográfica ha comenzado a explorar otras opciones para estar lista en caso de que se logre construir un computador cuántico eficiente. Esto ha dado un im- pulso a lo que se conoce como criptografía post-cuántica, aquella cuya dificultad no se vería afectada por este nuevo paradigma de computación y que está basada en los llamados problemas resistentes a la computación cuántica. La criptografía post-cuántica ha suscitado mucho interés recientemente y actualmente está en proceso de estandarización, por lo que en el momento de iniciar esta tesis resultaba relevante estudiar problemas supuestamente resistentes al computador cuántico. La parte central de esta tesis es el análisis de la dificultad del problema de los subespacios ocultos (HSP por sus siglas en inglés) y del problema de los subespacios ocultos con ruido (NHSP), dos problemas resistentes al computador cuántico según sus autores. Además de la relevancia que su supuesta resistencia a la computación cuántica les confiere, estos dos problemas son también importantes porque en su dificultad se sustenta la seguridad de las dos versiones del primer esquema de dinero cuántico de clave pública que cuenta con una prueba de seguridad. Este primer esquema es el de Aaronson-Christiano, que implementa dinero cuántico — un tipo de dinero que explota las leyes de la mecánica cuántica para crear dinero infalsificable — que cualquiera puede verificar. Los resultados obtenidos acerca de la dificultad del HSP y del NHSP tienen un impacto directo sobre la seguridad del esquema de Aaronson-Christiano, lo cual nos motivó a centrar esta tesis en estos dos problemas. El Capítulo 3 contiene nuestros resultados acerca del problema de los subespacios ocultos y está fundamentalmente basado en nuestro trabajo [Conde Pena et al.,2015]. Los autores del HSP lo definieron originalmente sobre el cuerpo binario, pero nosotros extendemos la definición a cualquier otro cuerpo finito de orden primo, siempre considerando que la instanciación es la que los autores proponen. Después de modelar el HSP con un sistema de ecuaciones con buenas propiedades, usamos técnicas de criptoanálisis algebraico para explorar el sistema en profundidad. Para el HSP sobre cualquier cuerpo que no sea el binario diseñamos un algoritmo que resuelve de manera eficiente instancias que satisfacen una cierta condición. Utilizando técnicas distintas, construimos un algoritmo heurístico, sustentado por argumentos teóricos, que resuelve eficientemente instancias del HSP sobre el cuerpo binario. Ambos algo-ritmos comprometen la dificultad del HSP siempre que las instancias del problema sean escogidas como Aaronson-Christiano proponen. Como consecuencia, nuestros algoritmos vulneran la seguridad de la versión del esquema sin ruido. El capítulo 4 contiene nuestros resultados acerca del problema de los subespacios ocultos con ruido y está fundamentalmente basado en nuestro trabajo [Conde Pena et al., 2018]. Al igual que con el HSP, extendemos la definición del NHSP a cualquier otro cuerpo de orden primo y consideramos instancias generadas como especifi- can Aaronson-Christiano. Mostramos que el NHSP se puede reducir al HSP sobre cualquier cuerpo primo que no sea el binario para ciertas instancias, mientras que el NHSP sobre el cuerpo binario se puede resolver con una probabilidad mayor de la asumida por los autores en la conjetura sobre la que la seguridad de su esquema con ruido se sustenta. Aunque nuestros resultados se obtienen desde un punto de vista puramente no cuántico, durante el desarrollo de esta tesis otro autor demostró que existe una reducción cuántica del NHSP al HSP también en el caso binario. Por tanto, la dificultad del NHSP y la seguridad del esquema de Aaronson-Christiano con ruido se han visto comprometidas por nuestros descubrimientos acerca del HSP.