The QPath Blog
QuantumPath® Agnostic QAOA:
Algoritmos de optimización annealing sobre ordenadores cuánticos de puertas
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QuantumPath® es agnóstico en una de sus funcionalidades más importantes ya que en nuestra opinión, en las tareas de diseño y construcción de soluciones cuánticas, el “analista cuántico” se debe centrar en el problema y su formulación, sin tener que preocuparse de lo que supone tecnológicamente.
En el caso de tecnologías basadas en puertas esto tiene la ventaja clara de diseñar circuitos cuánticos de forma abstracta que, gracias a QPath®, podrán ser lanzados en cualquier proveedor de tecnología de computación cuántica sin preocuparse de todos los elementos subyacentes: SDK, código, optimizaciones, requisitos, versiones, capacidades, puertas soportadas, codificación de los resultados, interacción con los backends … que tienen un gran impacto a la hora de abordar un proyecto cuántico desde la perspectiva tecnológica.
En el caso de tecnologías basadas en annealing cuántico pasa algo similar. Al trabajar con QuantumPath®, gracias al diseño agnóstico de las formulaciones basadas en Hamiltonianos y sus reglas para codificar los requisitos, los “analistas cuánticos” se centran de nuevo, en analizar la formulación del problema: variables, reglas…. sin necesidad de tener en cuenta los pormenores de la tecnología en la que deben ser implementados. Hasta ahora QuantumPath® realizaba las mismas acciones que con tecnologías de puertas: proporcionar el ecosistema necesario para lanzar los problemas de annealing cuántico en simuladores/computadores compatibles con dicha tecnología.
Pero, ¿qué pasaría si aprovecháramos la generalidad de uso de las máquinas de puertas para ejecutar problemas de optimización basadas en los principios de las de annealing? Esto es lo que ha inspirado la creación de la nueva característica de QuantumPath®: Q Agnostic QAOA®.
Q Agnostic QAOA® supone un importante paso más en proveer tecnología que facilite la adopción del software cuántico, dado que amplía la característica agnóstica de QuantumPath® relativa a la ejecución de algoritmos de optimización. Será posible lanzar los mismos algoritmos de optimización en diferentes tecnologías y fabricantes de hardware cuántico. Proporcionando además un valor añadido: democratizar su acceso. Actualmente, las máquinas de puertas cuánticas son de uso general. Tras muchos estudios e investigaciones realizadas en la universidad, se han desarrollado y demostrado algoritmos variacionales VQE/QAOA que lo que hacen es separar la lógica de resolución del problema matemático subyacente en dos partes:
· Una componente clásica que dirige los cálculos variacionales (ansatz)
· Una componente cuántica que apoya en el cálculo de las energías, aprovechando la potencia de las computadoras cuánticas. De tal forma que se consiguen obtener ventajas algebráicas cuadráticas sobre los equivalentes clásicos, en la distribución de probabilidad del estado fundamental.
Esta forma de resolver un problema de optimización demuestra que se puede construir un algoritmo de optimización, aprovechando estas técnicas, que podría ser lanzado en un computador de puertas implementando el algoritmo de software adecuado. Y esto es lo que se ha conseguido en QPath® con los nuevos proveedores Q Agnostic QAOA® vinculados a las máquinas de puertas. Gracias a la arquitectura agnóstica de QuantumPath®, los algoritmos de annealing ya desarrollados en la plataforma, que sólo se podían lanzar en computadores de annealing, ahora se pueden lanzar también en todos los computadores de puertas cuánticas sin necesidad de alterar el diseño. El desarrollador cuántico lo único que tiene que hacer es agregar a sus soluciones los nuevos proveedores de Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) basados en puertas, transpilar y experimentar con sus problemas en muchas más tecnologías de las posibles inicialmente. Lo que aporta multitud de ventajas:
· Facilitar la ejecución de algoritmos de optimización en una mayor variedad de computadores cuánticos de diferentes proveedores y diferentes tecnologías sin necesidad de reprogramar
· Experimentar en múltiples proveedores, evaluando las ventajas y potencia de diferentes alternativas tecnológicas
· Experimentar en diferentes simuladores, lo que redunda en tiempos, tipos de resultados, costes, etc.
· Disponer de una mayor alternativa tecnológica: en función de la evolución de todas las tecnologías en el tiempo y sus evoluciones, siempre podremos elegir la que mejor se adapte al problema propuesto.
Por supuesto que esto es una funcionalidad del CORE de QPath®, lo que implica que todas las funcionalidades del producto se apoyan en esta característica. Por ejemplo, el API qSOA® permitirá explotar desde la capa de integración esta nueva habilidad, permitiendo que un cliente rico empresarial, de repente, sea capaz de ver más proveedores en su lista sin necesidad de modificar el código del mismo. Y también que los resultados devueltos por el sistema proporcionen exactamente el mismo formato y codificación binaria del resultado, independientemente del tipo de tecnología utilizada.
Para ilustrar todas estas ventajas utilizaremos a continuación, el ya clásico algoritmo de la mochila.
1) En la solución que ya existía, bastará con agregar nuevos proveedores de annealing (clic en “Populate ANNEALING Devices” agrega aquellos proveedores que no estuvieran ya en la solución enlazados):
Se puede ver que conviven proveedores nativos de annealing con tecnologías de puertas bajo QAOA. En la captura se han seleccionado algunos de todos los posibles.
2) Transpilar el flujo
Tras transpilar, se puede observar que donde antes había 2 “compilers”, ahora aparecen 6 (en función de los dispositivos enlazados a la solución).
3) Ejecutar y experimentar con máquinas de puertas y máquinas de annealing. Analizar los resultados bajo el formato unificado de QuantumPath® de Annealing:
4) Ejecutar a través de qSOA® con clientes ricos ya desarrollados (cliente en C# y Windows FORMS):
Por supuesto, animamos al lector a testearlo directamente con el producto (incluso se puede testear con la Free Developer Subscription).
Resumiendo:
· La resolución de problemas de optimización “NP_Hard” en dispositivos NISQ se puede abordar con métodos como el propuesto por QAOA (Algoritmo de Optimización Aproximada Cuántica). Conforme vayan aumentando las capacidades de la tecnología cuántica y su calidad, queda demostrado que es posible obtener las funciones de probabilidad que permiten obtener ventaja cuántica en las distribuciones de energía, haciendo posible su aplicación en problemas complejos de optimización que no habría sido posible ejecutar en hardware clásico.
· Las elevadas expectativas existentes sobre las ventajas que ofrece el Algoritmo de Optimización Cuántica Aproximada (QAOA) vienen de la clara capacidad de aplicación a casos de uso que afectan a procesos críticos de nuestra sociedad: procesos financieros, simulaciones cuánticas, cadenas de distribución, reducción de contaminación en procesos químicos… casos de uso que pueden extraer clara ventaja de los algoritmos de optimización propuestos por QAOA.
· La problemática central del desarrollo de QAOA para diferentes ordenadores de puertas cuánticas viene de la construcción de los algoritmos ANSATZ necesarios para abordar el proceso de optimización de la matriz QUBO. En función del diseño del hamiltoniano, debe construirse un algoritmo de optimización que aplique todos los principios y teoría en este tipo de problemas, lo que supone algoritmia, código, pruebas y codificación de los datos.
· Q Agnostic QAOA® ofrece una implementación pre-parametrizada de ansatz agnóstico capaz de adaptarse a problemas de diferentes definiciones de hamiltonianos, variables y resultados unificados que activará de forma automática al seleccionar proveedores de puertas cuánticas en un problema de formulación de annealing. Tal y como ya ofrece QuantumPath® para el desarrollo de algoritmos y soluciones software para puertas cuánticas y annealing, en este caso se extiende el principio de portabilidad total del software cuántico también a QAOA: escribir una vez, ejecutar en todas partes, sean computadoras de puertas cuánticas y/o annealing.
