Новая веха квантовых вычислений

Для того чтобы выяснить, будут ли квантовые компьютеры работать корректно, ученые должны смоделировать их на классических компьютерах. Теперь же был проведен рекордный эксперимент по моделированию самого большого квантового компьютера.

Есть мнение, что существует некая точка, в которой квантовые компьютеры станут более мощными, чем текущие обычные или даже суперкомпьютеры. Эта точка перехода называется «квантовое превосходство», и, по общему мнению, мы приближаемся к этому технологическому переходу. Нынешняя работа посвящена тому, что квантовый компьютер, состоящий из 49 кубитов, будет соответствовать возможностям самого мощного суперкомпьютера на планете. И это будет нечто большим чем простое преодоление способностей обычных вычислительных машин. На данный момент это пока невозможно. Но это поднимает важные вопросы, касающиеся того как будут работать квантовые компьютеры. Для того чтобы это выяснить ученые использовали мощные классических компьютеры для моделирования поведения квантовых компьютеров.

Идея состоит в том, чтобы как можно точнее откалибровать поведение квантовых систем, квантовой логики, возможной только за счет использования кубитов. До данного исследования никто еще не моделирован квантовый компьютер с 49 кубитами. Но Томас Ханер и Дэмиан Штайгер из швейцарской высшей технической школы Цюриха объявили о своем эксперименте. Команда ученых использовала пятый по мощности суперкомпьютер в мире для моделирования 45 кубитного квантового компьютера.

«Насколько на известно, это новый рекорд в максимальном количестве моделируемых кубитов», - рассказали Ханер и Штайгер. Они показали насколько могут быть результативными подходы для моделирования подобных систем. Такое моделирование является сложной задачей из-за абсолютных величин в вычислениях, которые делают квантовые компьютеры. Это происходит из принципа квантовой суперпозиции, который позволяет таким квантовым частицам как фотоны, существовать одновременно в более чем одном состоянии.

Например, горизонтально поляризованный фотон может представлять собой 0, а вертикально поляризованный фотон может представлять собой 1. Но когда фотон существует как суперпозиция горизонтальной и вертикальной составляющих, он может представляться как 0 и 1 одновременно. И это можно использовать в вычислениях. Таким образом, два фотона могут представлять собой уже четыре числа, три фотона могут представлять собой восемь чисел и т. д. Именно за счет этого квантовые компьютеры получают свое вычислительное преимущество по-сравнению с классическими компьютерами, в которых используется булева логика, а не квантовая. Например, всего 50 фотонов могут представлять собой массив из 10000000000000000 чисел. Для хранения такой информации в классическом компьютере потребовалось бы памяти в масштабе петабайт.

Обработка этих чисел на классическом компьютере — еще большая задача. Это потому, что большинство суперкомпьютеров состоит из множества процессоров, подключенных в гигантскую вычислительную сеть. В результате управление потоком данных в этих узлах является серьезной задачей. Эта задача ограничивает размер возможных симуляций, который гораздо ниже квантового. Текущий мировой рекорд до данного исследования — моделирование 42 кубитов, проделанное на суперкомпьютере Julich в 2010 году. С тех пор мало что сделано из-за проблем с вычислительными возможностями, в частности из-за синхронизации потоков данных между процессорами.

Прорыв работы Ханера и Штайгера заключен в поиске путей сокращения времени обработки данных между процессорами, то есть в общей оптимизации времени вычислений, это позволило проводить больше вычислений чем без оптимизации. Исследователи применили свой подход к серии симуляций на суперкомпьютере Cori II в национальной лаборатории Беркли в штате Калифорния. Это устройство состоит из 9304 узлов, каждый из которых содержит 68 ядерный процессор Intel Xenon Phi 7250 с тактовой частотой 1,4 гГц. Это приводит к максимальной производительности в 29,1 петафлопс с памятью в 1 петабайт.

Суперкомпьютер назван в чести Герти Кори, первой женщины, получившей нобелевскую премию по медицине, Кори II (Cori II) является пятым по мощности суперкомпьютером на планете. Ханер и Штайгер использовали это устройство для моделирования того, как квантовый компьютер будет выполнять вычисления с использованием 30, 36, 42 и 45 кубитов. Для самого большого моделирования они использовали 0.5 петабайта памяти и 8192 узлов, достигнув производительности в 0.428 петафлопс.

Это значительно меньше, чем машина способна, даже с ускорениями, которые команда разработала. Команда подавила эту потерю в производительности и расходы по времени на синхронизацию между процессорами, которые все еще занимают 75 процентов вычислительного времени. Весь программный код для оптимизации был написан на С++.

Ханер и Штайгер сравнили результаты моделирования 30 и 36 кубитных компьютеров, работающих на менее мощном суперкомпьютере под названием Edison, также в лаборатории Беркли. Они обнаружили, что их подход также ускорил эти расчеты.

«Это указывает на то, что полученные ускорения были не просто следствием нового поколения аппаратных средств, как для Cori II», - сообщили Ханер и Штайгер.

Они рассказили, что это улучшение говорит о том, что моделирование уже 49 кубитного компьютера должно быть возможным в ближайшем будущем.

Это интересная работа, которая прокладывает путь для будущего квантовых компьютеров и квантовых вычислений. Данные этой работы будут играть важную роль в обеспечении уверенности физиков в квантовых вычислениях, когда наконец будет достигнуто квантовое превосходство. И этот день, уже не так далек, как считалось раньше.

Пояснения к изображениям:

На изображении 58_1, Figure 1 показаны случайно сгенерированные квантовые логические вентили, которые использовал Google в свой подобной работе. В данном исследовании были сгенерированы подобные схемы, с помощью следующих правил: вдоль часовой стрелки 0, применяется матрица Адамара к каждому кубиту. Одиночные кубиты изображены красным цветом — вентиль Т, состояния X^1/2 синим или Y^1/2 желтым.

На изображении 58_2, Figure 2 показана иллюстрация улучшения производительности из разделов 3.2 и 3.3. Шаг 1: вводится «ленивая» оценка, что делает приложение более производительным. На шаге 2 добавляется явная векторизация и переупорядочивание команд, за которыми следует шаг 3, на котором осуществляется блокировка квантовых регистров на матрице затвора, происходит переупорядочивание и перестановка значений комплекснозначной матрицы для увеличения значения соотношения FLOP/байт. Сама производительность показана для значений гигафлопс. Дополнительной оптимизацией является блокировка MCDRAM, которая вводится на шаге 1.

На изображении 58_3, Figure 3, показана иллюстрация однокубитного и многокубитной оптимизации. Блоки, помеченные, например 01, …, представляют собой коэффициенты, соответствующие глобальному базисному состоянию, которое начинается с битовой строки r01, где r – битовое представление ранга (см. статью 58).

На изображении 58_4, Figure 4, показан пример стробирования для схемы CZ – вентилей и однокубитных вентилей вращения (R). Обратите внимание, что использовалась специализация вентилей для CZ, что означает, что можно применять их без связи с глобальными (центральными) кубитами. Кубиты были объединены в кластеры.

Источник: www.technologyreview.com

Комментарии: