Symulacja superkomputera oferuje wgląd w przyszłość komputerów kwantowych

Przykład rodzaju zadania, które można symulować na komputerze z 45 kubitami

Informatycy mają nazwę dla momentu, w którym komputery kwantowe stają się potężniejsze niż zwykłe komputery. Nazywają to supremacją kwantową i według wszystkich relacji ten czas szybko się zbliża.

Obecne myślenie jest takie, że komputer kwantowy zdolny do obsługi 49 kubitów będzie odpowiadał możliwościom najpotężniejszego superkomputera na świecie. A wszystko większe niż to będzie poza zasięgiem zwykłych maszyn obliczeniowych.

To nie jest jeszcze całkiem możliwe. Rodzi to jednak ważne pytania o to, skąd możemy wiedzieć, czy te komputery kwantowe będą działać zgodnie z oczekiwaniami. Aby się tego dowiedzieć, informatycy zaczęli używać potężnych klasycznych komputerów do symulacji zachowania komputerów kwantowych.

Chodzi o to, aby jak najdokładniej skalibrować i porównać ich zachowanie, póki jeszcze możemy. Potem wystarczy nam zaufać światu kwantowemu.

Oczywiście nikt jeszcze nie symulował 49-kubitowego komputera kwantowego. Jednak dzisiaj Thomas Haner i Damian Steiger z ETH Zurich w Szwajcarii ogłaszają najbardziej ambitną próbę do tej pory.

Ci goście wykorzystali piąty najpotężniejszy superkomputer na świecie do symulacji zachowania 45-kubitowego komputera kwantowego. Według naszej wiedzy stanowi to nowy rekord w maksymalnej liczbie symulowanych kubitów, mówią Haner i Steiger. I pokazują, jak mocniejsze symulacje powinny być możliwe.

Symulacje te są trudne ze względu na ogrom obliczeń, które umożliwiają komputery kwantowe. Ta wielka moc pochodzi z kwantowego zjawiska superpozycji, które pozwala cząstkom kwantowym, takim jak fotony, istnieć w więcej niż jednym stanie w tym samym czasie.

Na przykład foton spolaryzowany poziomo może reprezentować a 0 a foton spolaryzowany pionowo może reprezentować a jeden . Ale kiedy foton istnieje jako superpozycja zarówno polaryzacji poziomej, jak i pionowej w tym samym czasie, może reprezentować zarówno 0 oraz jeden w obliczeniach.

W ten sposób dwa fotony mogą reprezentować cztery liczby, trzy fotony mogą reprezentować osiem liczb i tak dalej. To tutaj komputery kwantowe uzyskują moc obliczeniową i dlatego klasyczne komputery bledną w porównaniu.

Na przykład tylko 50 fotonów może reprezentować 10 000 000 000 000 000 liczb. Klasyczny komputer wymagałby pamięci w skali petabajta do przechowywania tak wielu.

Przetwarzanie tych liczb na klasycznym komputerze to jeszcze większe zadanie. Dzieje się tak, ponieważ większość superkomputerów składa się z wielu jednostek przetwarzających połączonych w gigantyczną sieć komputerową. W rezultacie zarządzanie przepływem danych do iz tych węzłów jest znaczącym obciążeniem komunikacyjnym.

Wyzwanie to ograniczyło rozmiar symulacji do poziomu znacznie poniżej limitu supremacji kwantowej. Obecny rekord świata to symulacja 42 kubitów, praca wykonana na superkomputerze Julich w 2010 roku. Od tego czasu poczyniono niewielkie postępy z powodu problemów z narzutami obliczeniowymi.

Teraz to się zmieniło dzięki pracy Hanera i Steigera. Ich przełomem jest znalezienie sposobów na zmniejszenie kosztów, aby symulacja mogła przebiegać o ponad rząd wielkości szybciej niż wcześniej.

Naukowcy zastosowali te ulepszenia w zestawie symulacji na superkomputerze Cori II w Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii. To urządzenie składa się z 9304 węzłów, z których każdy zawiera 68-rdzeniowy procesor Intel Xeon Phi 7250 działający z szybkością 1,4 gigaherca. Prowadzi to do szczytowej wydajności 29,1 petaflopsa przy jednym petabajtie pamięci.

Nazwany na cześć Gerty Cori, pierwszej kobiety, która zdobyła Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny, Cori II jest piątym najpotężniejszym superkomputerem na świecie. Nie brakuje więc mocy obliczeniowej.

Haner i Steiger wykorzystali to urządzenie do symulacji sposobu, w jaki komputer kwantowy wykonywałby obliczenia przy użyciu 30, 36, 42 i 45 kubitów. Do największej symulacji użyli 0,5 petabajta pamięci i 8192 węzłów, osiągając wydajność 0,428 petaflopów.

To znacznie mniej niż jest w stanie wykonać maszyna, nawet przy przyspieszeniu zaprojektowanym przez zespół. Zespół przypisał tę utratę wydajności narzutom komunikacyjnym, które nadal zajmują 75% czasu obliczeniowego.

Haner i Steiger porównali wyniki z symulacjami 30- i 36-kubitowych komputerów uruchomionych na słabszym superkomputerze zwanym Edison, również w Lawrence Berkeley Lab. Odkryli, że ich podejście również przyspieszyło te obliczenia. Wskazuje to, że uzyskane przyspieszenia nie były jedynie konsekwencją nowej generacji sprzętu [dla Cori II], mówią Haner i Steiger.

Mówią, że to ulepszenie sugeruje, że symulacja 49-kubitowego komputera powinna być możliwa w najbliższej przyszłości.

To interesująca praca, która toruje drogę przyszłym komputerom kwantowym. Dane z tej pracy odegrają ważną rolę w zapewnieniu fizykom zaufania do obliczeń kwantowych, gdy w końcu zostanie osiągnięta supremacja kwantowa. A ten dzień z pewnością nie jest zbyt odległy.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1704.01127 : Symulacja 0,5 petabajta 45-kubitowego obwodu kwantowego

ukryć