Supercomputersimulering giver et kig på kvantecomputernes fremtid

Et eksempel på den slags opgave, der kan simuleres på en 45-qubit computer

Dataloger har et navn for det punkt, hvor kvantecomputere bliver kraftigere end almindelige computere. De kalder det kvanteoverherredømme, og efter alt at dømme nærmer tiden sig hastigt.

Den nuværende tankegang er, at en kvantecomputer, der er i stand til at håndtere 49 qubits, vil matche evnen til den mest kraftfulde supercomputer på planeten. Og alt, der er større end det, vil være uden for almindelige computermaskiner.



Det er ikke helt muligt endnu. Men det rejser vigtige spørgsmål om, hvordan vi kan vide, om disse kvantecomputere vil fungere som forventet. For at finde ud af det er dataloger begyndt at bruge kraftige klassiske computere til at simulere kvantecomputeres adfærd.

Tanken er at kalibrere og benchmarke deres adfærd så præcist som muligt, mens vi stadig kan. Derefter bliver vi bare nødt til at stole på kvanteverdenen.

Selvfølgelig har ingen endnu simuleret en 49-qubit kvantecomputer. Men i dag annoncerer Thomas Haner og Damian Steiger fra ETH Zürich i Schweiz det mest ambitiøse forsøg til dato.

Disse fyre har brugt den femte mest kraftfulde supercomputer i verden til at simulere adfærden af ​​en 45-qubit kvantecomputer. Så vidt vi ved, udgør dette en ny rekord i det maksimale antal simulerede qubits, siger Haner og Steiger. Og de viser, hvordan mere kraftfulde simuleringer burde være mulige.

Disse simuleringer er vanskelige på grund af den store størrelse af de beregninger, som kvantecomputere gør mulige. Denne store kraft kommer fra kvantefænomenet superposition, som tillader kvantepartikler, såsom fotoner, at eksistere i mere end én tilstand på samme tid.

For eksempel kan en vandret polariseret foton repræsentere en 0 og en vertikalt polariseret foton kan repræsentere en en . Men når en foton eksisterer som en superposition af både vandrette og vertikale polariseringer på samme tid, kan den repræsentere både en 0 og en i et regnestykke.

På denne måde kan to fotoner repræsentere fire tal, tre fotoner kan repræsentere otte tal, og så videre. Det er her, kvantecomputere får deres beregningsmæssige hestekræfter, og det er derfor, klassiske computere blegner i sammenligning.

For eksempel kan kun 50 fotoner repræsentere 10.000.000.000.000.000 tal. En klassisk computer ville kræve en petabyte-skala hukommelse for at gemme så mange.

At behandle disse tal på en klassisk computer er en endnu større opgave. Det skyldes, at de fleste supercomputere består af mange behandlingsenheder, der er forbundet i et gigantisk computernetværk. Som følge heraf er styring af dataflowet til og fra disse noder en betydelig kommunikationsoverhead.

Denne udfordring har begrænset størrelsen af ​​simuleringer til et godt stykke under grænsen for kvanteoverherredømme. Den nuværende verdensrekord er en simulering af 42 qubits, arbejde, der blev udført på Julich-supercomputeren i 2010. Der er sket små fremskridt siden da på grund af problemerne med beregningsmæssige overheads.

Det har nu ændret sig takket være Haners og Steigers arbejde. Deres gennembrud er at finde måder at reducere overhead på, så simuleringen kan køre mere end en størrelsesorden hurtigere end før.

Forskerne har anvendt disse forbedringer på et sæt simuleringer på Cori II-supercomputeren ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien. Denne enhed består af 9.304 noder, der hver indeholder en 68-kernet Intel Xeon Phi-processor 7250, der kører på 1,4 gigahertz. Dette fører til en topydelse på 29,1 petaflops med en petabyte hukommelse.

Opkaldt efter Gerty Cori, den første kvinde til at vinde en Nobelpris i medicin, er Cori II den femte mest kraftfulde supercomputer på planeten. Så det mangler ikke på beregningsmæssige hestekræfter.

Haner og Steiger brugte denne enhed til at simulere den måde, hvorpå en kvantecomputer ville udføre beregninger ved hjælp af 30, 36, 42 og 45 qubits. Til den største simulering brugte de 0,5 petabyte hukommelse og 8.192 noder, hvilket opnåede en ydeevne på 0,428 petaflops.

Det er væsentligt mindre, end maskinen er i stand til, selv med de speedups, holdet har designet. Holdet nedlægger dette tab af ydeevne til kommunikationsomkostningerne, som stadig fylder 75 procent af beregningstiden.

Haner og Steiger sammenlignede resultaterne med simuleringer af 30- og 36-qubit-computere, der kører på en mindre kraftfuld supercomputer kaldet Edison, også på Lawrence Berkeley Lab. De fandt ud af, at deres tilgang også fremskyndede disse beregninger. Dette indikerer, at de opnåede speedups ikke kun var en konsekvens af en ny generation af hardware [til Cori II], siger Haner og Steiger.

De siger, at denne forbedring tyder på, at simulering af en 49-qubit-computer burde være mulig i den nærmeste fremtid.

Det er interessant arbejde, der baner vejen for fremtidige kvantecomputere. Dataene fra dette arbejde vil spille en vigtig rolle i at sikre, at fysikere har tillid til kvanteberegninger, når kvanteoverherredømme endelig er opnået. Og den dag ligger bestemt ikke for langt ude i fremtiden.

Ref: arxiv.org/abs/1704.01127 : 0,5 Petabyte Simulering af et 45-Qubit Quantum Circuit

skjule