De nya riktmärket kvantdatorer måste slå för att uppnå kvantöverhöghet

IBM Research; OLCF på ORNL | FLickr

Två gånger om året publicerar TOP500-projektet en ranking av världens mest kraftfulla datorer. Listan är efterlängtad och enormt inflytelserik. Globala supermakter tävlar om att dominera rankingen, och i skrivande stund är Kina störst, med 229 enheter på listan.

USA har bara 121, men detta inkluderar världens mest kraftfulla: Summit-superdatorn vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, som klockades till 143 petaflops (143 tusen miljoner miljoner flyttalsoperationer per sekund).

Rangordningen bestäms av ett benchmarkingprogram som heter Linpack, som är en samling Fortran-subrutiner som löser en rad linjära ekvationer. Tiden det tar att lösa ekvationerna är ett mått på datorns hastighet.

Relaterad berättelse

Läs mer om detta ämne

Hur det fungerar, varför det är så kraftfullt och var det sannolikt kommer att vara mest användbart först

Det råder ingen brist på kontroverser över detta val av riktmärke. Datorarkitekturer är vanligtvis optimerade för att lösa specifika problem, och många av dessa skiljer sig mycket från Linpack-utmaningen. Kvantdatorer är till exempel helt olämpliga för att lösa den här typen av problem.

Och det väcker en viktig fråga. Kvantdatorer är på gränsen till att överträffa de mest kraftfulla superdatorerna för vissa typer av problem, men exakt hur kraftfulla är de? Frågan är hur man mäter deras prestanda och jämför den med den hos klassiska datorer.

Idag får vi svar tack vare Benjamin Villalongas arbete vid Quantum Artificial Intelligence Lab vid NASA Ames Research Center i Mountain View, Kalifornien, och en grupp kollegor som har utvecklat ett benchmarking-test som fungerar på både klassiska och kvantenheter. På så sätt är det möjligt att jämföra deras prestanda.

Dessutom har teamet använt det nya testet för att sätta Summit, världens mest kraftfulla superdator, i takt med 281 petaflops. Resultatet är det riktmärke som kvantdatorer måste slå för att äntligen etablera sin överhöghet i rankingen.

Att hitta ett bra mått på kvantberäkningskraft är ingen lätt uppgift. Till att börja med har datavetare länge vetat att kvantdatorer kan överträffa sina klassiska motsvarigheter i endast ett begränsat antal högspecialiserade uppgifter. Och även då är ingen kvantdator för närvarande tillräckligt kraftfull för att utföra någon av dem särskilt bra eftersom de till exempel inte är kapabla till felkorrigering.

Så Villalonga och co letade efter ett mycket mer fundamentalt test av kvantberäkningskraft som skulle fungera lika bra för dagens primitiva enheter och morgondagens mer avancerade kvantmaskiner, och som också skulle kunna simuleras på klassiska maskiner.

Deras valda problem är att simulera utvecklingen av kvantkaos med hjälp av slumpmässiga kvantkretsar. Enkla kvantdatorer kan göra detta eftersom processen inte kräver kraftfull felkorrigering, och det är relativt enkelt att filtrera bort resultat som har överväldigats av brus.

Det är också enkelt för klassiska maskiner att simulera kvantkaos. Men den klassiska beräkningskraften som krävs för att göra detta ökar exponentiellt med antalet inblandade qubits.

För två år sedan fastställde fysiker att kvantdatorer med minst 50 qubits skulle uppnå kvantöverlägsenhet över en klassisk superdator vid den tiden.

Men målstolparna rör sig hela tiden när superdatorer uppgraderas. Summit är till exempel kapabel till betydligt fler petaflops nu än i den senaste rankingen i november, då den tippade skalan till 143 petaflops. Faktum är att Oak Ridge National Labs denna vecka presenterade planerna på att bygga en 1,5-exaflop-maskin till 2021. Så att kontinuerligt kunna jämföra dessa maskiner mot de framväxande kvantdatorerna blir allt viktigare.

Forskare vid NASA och Google har skapat en algoritm som heter qFlex som simulerar slumpmässiga kvantkretsar på en klassisk maskin. Förra året visade de att qFlex kunde simulera och jämföra prestandan hos en Google kvantdator som heter Bristlecone, som har 72 qubits. För att göra detta använde de en superdator på NASA Ames med 20 petaflops siffror.

Nu har de visat att Summit-superdatorn kan simulera prestandan hos en mycket större kvantenhet. På Summit kunde vi uppnå en uthållig prestanda på 281 Pflop/s (enkel precision) över hela superdatorn, och simulerade kretsar på 49 och 121 qubits, säger de.

Dessa 121 qubits är bortom kapaciteten hos någon befintlig kvantdator. Så klassiska datorer ligger kvar en hårsmån före i rankingen.

Men det här är ett lopp som de är avsedda att förlora. Planer pågår redan för att bygga kvantdatorer med 100+ qubits inom de närmaste åren. Och när kvantkapaciteten accelererar kommer utmaningen att bygga allt kraftfullare klassiska maskiner redan mot buffertarna.

Den begränsande faktorn för nya maskiner är inte längre hårdvaran utan kraften som finns för att hålla dem brummande. Summit-maskinen kräver redan en 14 megawatts strömförsörjning. Det räcker för att lysa upp en hel medelstor stad. Att skala ett sådant system med 10x skulle kräva 140 MW effekt, vilket skulle vara oöverkomligt dyrt, säger Villalonga och co.

Däremot är kvantdatorer sparsamma. Deras huvudsakliga effektbehov är kylning för supraledande komponenter. Så en 72-qubit-dator som Googles Bristlecone, till exempel, kräver cirka 14 kw. Även när qubit-system skalas upp är det osannolikt att denna mängd kommer att växa nämnvärt, säger Villalonga och co.

Så i effektivitetsrankningen är kvantdatorer avsedda att torka golvet med sina klassiska motsvarigheter förr snarare än senare.

På ett eller annat sätt kommer kvantöverhöghet. Om det här arbetet är något att gå efter, är riktmärket som kommer att bevisa att det sannolikt qFlex.

Ref: arxiv.org/abs/1905.00444 : Etablering av Quantum Supremacy Frontier med en 281 Pflop/s-simulering

Dölj