«Punch It, Chewie»: смоделирована работа 56-кубитного квантового компьютера

В октябре ученые из IBM сообщили о том, что им удалось смоделировать 56-кубитный квантовый компьютер на классическом компьютере. Еще несколько месяцев назад считалось, что перешагнуть барьер в 49 кубитов невозможно.

Недостижимый прежде результат поднимает тему скорого наступления квантового превосходства — момента, в котором возможности квантового компьютера превысят возможности любой вычислительной машины с привычной нам архитектурой.

В статье разбираемся, как IBM достигла «невозможного» и какие перспективы это открывает.

/ фото Yohanes Sanjaya CC

«Метод щетки»

Моделирование работы квантового компьютера с числом кубитов большим, чем 49, на классической машине считалось невозможным из-за ограничений памяти. Предыдущий рекорд — 45 кубитов — принадлежит исследователям из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Для реализации проекта им потребовалось 500 терабайт оперативной памяти. Имитация выполнялась с помощью суперкомпьютера Cori II с 9304 нодами (68-ядерный процессор Intel Xeon Phi 7250 в каждом) и петабайтом памяти.

Сложность моделирования работы квантового компьютера заключается в том, что при добавлении кубита, объемы затрачиваемой памяти увеличиваются в геометрической прогрессии. При классических вычислениях информация кодируется битами, имеющими два состояния — 1 или 0. В квантовых вычислениях единица информации принимает значения 1 или 0, или находится в суперпозиции. Кубиты связаны друг с другом, что порождает новые состояния. Таким образом, пятьдесят кубитов могут представлять одновременно квадриллион значений.

Как говорит Эдвин Педнол (Edwin Pednault) из команды IBM, для реализации 56-кубитной системы старые методы требуют примерно один эксабайт оперативной памяти — колоссальное количество. Однако ученым из IBM хватило 32 терабайт. Команде удалось найти оригинальное решение.

Математический трюк, который сделал симуляцию возможной, пришел в голову Эдвину Педнолу во время мытья посуды. Исследователь провел аналогию устройства щетинной щетки для чистки бокалов с тензорами — многомерными таблицами с числами, зависящими от выбранных координат.

Запись операций в тензорной форме позволила сократить объемы затрачиваемой памяти и распараллелить задачи для выполнения на множестве процессоров одновременно. Эксперимент проводился на суперкомпьютере Vulcan. Он находится на 25-м месте в рейтинге самых мощных суперкомпьютеров (по данным за ноябрь 2017 года).

Квантовое превосходство уже наступило?

Считалось, что квантовое превосходство наступит при достижении предела в 49 кубитов. Однако этого не произошло. По словам Эдвина, достижение IBM говорит о «полной квантовой готовности» — возможности использовать квантовые аппаратные, программные и инженерные средства.

Пока полученная модель работает в миллиард раз медленнее, чем «идеальный» 56-кубитный квантовый компьютер. Но моделирование квантовых вычислений дает исследователям возможность находить области задач, которые те способны решать эффективнее обычных компьютеров. А имитация ошибок помогает выявлять причины проблем реальных квантовых устройств.


/ фото Richard Jones CC

Команда IBM планирует продолжать работу в этом направлении, чтобы добавить еще несколько кубитов к уже достигнутому результату. Однако, как отмечает Эдвин Педнол, симуляции не заменят реальные квантовые компьютеры. Поэтому крупные ИТ-компании продолжают гонку по созданию «железных» квантовых решений.

Например, в Google планировали представить первый 49-кубитный чип к концу 2017. В ноябре этого года IBM также анонсировали разработку 50-кубитного компьютера, который должен укрепить квантовую экосистему компании.

Главная цель IBM и других компаний, экспериментирующих с квантами, — построить квантовый компьютер, способный находить ответы на важные проблемы, которые не могут быть эффективно решены классическими способами. Например, задачи квантовой химии.

Эдвин говорит, что в будущем человечество начнет в полной мере использовать возможности квантовых вычислений, чтобы решать все более сложные проблемы. В этот момент моделирование будет необходимо для поддержки исследований, разработки новых квантовых алгоритмов и продвижения квантовых технологий.