QuantumStack: Programming the Quantum Computer
- Reference number
- FUS21-0063
- Project leader
- Dubhashi, Devdatt
- Start and end dates
- 220601-270531
- Amount granted
- 34 994 837 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
We will develop a full software stack for programming quantum computers, e.g., the Swedish quantum computer being built at Chalmers. At the top of this stack are quantum algorithms designed to work on near-term quantum computers, which are limited by noise. The next layer in the stack are compilation steps ensuring that the algorithm fits the constraints of the quantum hardware (limited connectivity between quantum bits, few quantum gates available, etc.), has minimal run time, and can be converted to control signals for the quantum processor. We will in parallel develop fast classical simulations of quantum algorithms to aid the optimisation of each layer in the stack. We have assembled an interdisciplinary team of top computer scientists and quantum physicists, with large in-kind contributions from experts in both fields, supported by the big Wallenberg centres for quantum technology and artificial intelligence (WACQT and WASP), which provide an excellent research environment. We will recruit 4 PhD students and 4 postdocs, who will leverage techniques from both computer science and quantum physics to optimize all parts of the software stack. The project is expected to result in significant improvements on multiple levels of the software stack for quantum computers, bringing useful quantum computing closer to fruition. Intellectual property and spin-off companies from the project will be handled in a structure set up by WACQT for quantum-technology research results.
Popular science description
Det pågår en kapplöpning mellan stora företag och forskningscentra runtom i världen för att utveckla en ny typ av dator - en kvantdator. En sådan dator utnyttjar fenomen från kvantfysiken för att utföra beräkningar på nya sätt. Till exempel kan en kvantbit, kvantdatorns motsvarighet till en vanlig dators minsta beståndsdel, anta värden som är både 0 och 1 samtidigt, medan en vanlig bit bara kan vara det ena eller andra. Dessa egenskaper möjliggör nya typer av datorprogram som kan lösa vissa problem inom t.ex. logistik, kemi, medicin och många andra områden, mycket snabbare än en vanlig dator. För att kunna köra ett kvantprogram på en kvantdator i praktiken behöver programmet översättas i en lång rad steg från koden skriven av en människa ner till elektriska signaler som skickas till chippet där kvantbitarna är. Dessa steg kallas tillsammans för en mjukvarustack. I det här projektet ska vi utveckla en fullständig mjukvarustack för att möjliggöra bättre kvantberäkningar. Framförallt ska vår mjukvarustack användas för att driva den svenska kvantdator som byggs på Chalmers. Delarna av mjukvarustacken som vi ska utveckla innefattar först av allt kvantprogram anpassade för kvantdatorer som ligger närmast i tiden. Sådan kvantdatorer fungerar inte perfekt eftersom det är väldigt svårt att isolera kvantbitarna helt från störande brus av olika slag, men det går att skriva kvantprogram vars resultat inte är alltför känsliga för dessa störningar. I nästa steg av stacken transformerar vi delarna av vår kvantalgoritm för att den ska passa kvantdatorn den ska köras på. När man skriver ett kvantprogram tar man nämligen först inte hänsyn till vilka kvantbitar som är kopplade till varandra på chippet eller vilka operationer (grindar) man kan utföra på kvantbitarna på chippet. Vi måste därför översätta vårt program till en form som respekterar dessa begränsningar. Det är viktigt att denna översättning resulterar i ett så kort program som möjligt, så att bruset i kvantdatorn får så lite tid som möjligt att ställa till med problem. Slutligen kommer vi också utveckla snabba program på vanliga datorer som kan simulera hur bra våra förbättrade kvantprogram fungerar på kvantdatorn. För att genomföra projektet har vi satt ihop en blandad grupp av datavetare och kvantfysiker som alla bidrar med värdefulla insikter från sina expertområden. Vi arbetar i en forskningsmiljö med stöd från stora svenska forskningscentra inom kvantteknologi och artificiell intelligens.