Лента TH Новости Глобальные вызовы


Ученые смоделировали квантовую систему из 45-ти кубитов

∴ 108

Когда два исследователя из Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich) объявили в апреле, что они успешно имитировали 45-кубитную квантовую схему, научное сообщество обратило на это пристальное внимание. Ведь это была самая большая из когда-либо моделируемых квантовых компьютерных систем, а это на еще один шаг ближе к моделированию «квантового превосходства» — точки, в которой квантовые компьютеры становятся более мощными, чем обычные компьютеры.

610

Вычисления проводились в Национальном научно-исследовательском вычислительном центре по энергетическим исследованиям (NERS). Исследователи Томас Хэнер и Дэмиен Штайгер, оба доктора философии. Учащиеся ETH, использовали 8 192 из 9,688 процессоров Intel Xeon Phi на новейшем суперкомпьютере NERSC, CorI, чтобы поддержать эту симуляцию, самую большую в истории NERSC.

«Квантовые вычисления» были предметом исследований на протяжении десятилетий, и с полным основанием: квантовые компьютеры могут уничтожить общие методы криптографии и имитировать квантовые системы за долю секунды. Они делают это за счет использования квантовых состояний частиц для хранения информации в кубитах (квантовых битах), единицей квантовой информации, родственной регулярному биту классических вычислений. Однако использование квантового параллелизма затруднено, поскольку наблюдение за квантовым состоянием приводит к тому, что система рушится после одного ответа.

Итак, насколько мы близки к реализации настоящего рабочего прототипа? Обычно считается, что квантовый компьютер, развертывающий 49 кубитов — блок квантовой информации, сможет превзойти вычислительную мощность современных мощных суперкомпьютеров. С этой целью моделирование Хэнера и Штайгера поможет в бенчмаркинге и калибровке ближайших квантовых компьютеров, проведя эксперименты по квантовому превосходству с этими ранними устройствами и сравнив их с результатами их моделирования. Тем временем мы наблюдаем всплеск инвестиций в технологии квантовых вычислений от таких компаний, как Google, IBM и других ведущих технологических компаний — даже Volkswagen — которые могут значительно ускорить процесс разработки.

Эмуляция и симуляция важны для калибровки, проверки и сопоставления новых аппаратных средств и архитектур квантовых вычислений. В документе, представленном на SC16, Хэнер и Штайгер писали: «Хотя крупномасштабные квантовые компьютеры еще недоступны, их производительность может быть получена с использованием квантовых систем компиляции и оценок потенциальных технических характеристик оборудования. Однако без тестирования и отладки квантовых программ на небольших устройствах, масштабные проблемы нельзя считать решенными. Симуляторы и эмуляторы … необходимы для решения этой проблемы».

В этом документе обсуждались эмулирующие квантовые схемы – общее представление квантовых программ, в то время как в 45-кубитовой теории основное внимание уделяется моделированию квантовых цепей. Эмуляция возможна только для определенных типов квантовых подпрограмм, тогда как моделирование квантовых схем является общим методом, который также позволяет включить эффекты шума. Такие симуляции могут быть очень сложными даже на сегодняшних быстрых суперкомпьютерах, объяснили Хэнер и Штайгер. Например, для 45-кубитовой симуляции они использовали большую часть доступной памяти на каждом из 8 192 узлов.

Это значительно увеличивает вероятность отказа узла, и это чудо, если мы работаем в системе более часа без сбоев. Таким образом, для достижения этой модели нам приходилось сокращать время до решения во всех масштабах (как на уровне узлов, так и на уровне кластеров).Хэнер и Штайгер

Оптимизация имитатора квантовой схемы была ключевой. Хэнер и Штайгер использовали автоматическое создание кода, оптимизировали вычислительные ядра и применяли алгоритм планирования к схемам квантового превосходства, тем самым уменьшая требуемую связь между узлами. Во время процесса оптимизации они работали с сотрудниками NERSC и использовали модель Berofley Lab Roofline для определения потенциальных областей, в которых производительность могла быть повышена.

В дополнение к 45-кубитовой симуляции, которая использовала 0,5 петабайт памяти системы и достигла производительности 0,428 петафлоп, они также моделировали 30-, 36- и 42-кубитовые квантовые схемы. Когда они сравнили результаты с имитациями 30- и 36-кубитовых схем, запущенных в системе Edison NERSC, они обнаружили, что имитация Edison также ускоряется.

Наши оптимизации улучшили производительность — количество операций с плавающей запятой, в 10 раз для Edison и 10-20 раз для Cori (в зависимости от схемы для имитации и размера на узел). Время, отведенное на решение, уменьшилось более чем в 12 раз, по сравнению со временем аналогичного моделирования, что сделало возможным 45-кубитное моделирование. Хэнер и Штайгер

Забегая вперед, дуэт заинтересован в том, чтобы выполнять больше моделирования квантовых схем в NERSC для определения производительности краткосрочных квантовых компьютеров, решающих проблемы квантовой химии, а также ученые надеются использовать твердотельные накопители для хранения больших волновых функций и, таким образом, попытаться имитировать еще больше кубитов.

Филипп Дончев