Superdatorsimulering ger en titt på kvantdatorernas framtid

Ett exempel på den typ av uppgift som kan simuleras på en 45-qubit dator

Datavetare har ett namn för den punkt då kvantdatorer blir kraftfullare än vanliga datorer. De kallar det kvantöverhöghet, och av allt att döma, den tiden närmar sig snabbt.

Den nuvarande tanken är att en kvantdator som kan hantera 49 qubits kommer att matcha förmågan hos den kraftfullaste superdatorn på planeten. Och allt större än det kommer att vara bortom kännetecknet för vanliga datorer.

Det är inte riktigt möjligt än. Men det väcker viktiga frågor om hur vi kan veta om dessa kvantdatorer kommer att fungera som förväntat. För att ta reda på det har datavetare börjat använda kraftfulla klassiska datorer för att simulera beteendet hos kvantdatorer.

Tanken är att kalibrera och benchmarka deras beteende så exakt som möjligt, medan vi fortfarande kan. Efter det måste vi bara lita på kvantvärlden.

Naturligtvis har ingen ännu simulerat en 49-qubit kvantdator. Men idag tillkännager Thomas Haner och Damian Steiger från ETH Zürich i Schweiz det mest ambitiösa försöket hittills.

Dessa killar har använt den femte kraftfullaste superdatorn i världen för att simulera beteendet hos en 45-qubit kvantdator. Såvitt vi vet utgör detta ett nytt rekord i det maximala antalet simulerade qubits, säger Haner och Steiger. Och de visar hur kraftfullare simuleringar borde vara möjliga.

Dessa simuleringar är svåra på grund av den stora omfattningen av de beräkningar som kvantdatorer möjliggör. Denna stora kraft kommer från kvantfenomenet superposition, som gör att kvantpartiklar, som fotoner, kan existera i mer än ett tillstånd samtidigt.

Till exempel kan en horisontellt polariserad foton representera en 0 och en vertikalt polariserad foton kan representera en ett . Men när en foton existerar som en superposition av både horisontella och vertikala polarisationer samtidigt, kan den representera både en 0 och ett i en uträkning.

På så sätt kan två fotoner representera fyra tal, tre fotoner kan representera åtta tal, och så vidare. Det är här som kvantdatorer får sina beräkningshästkrafter, och det är därför klassiska datorer bleknar i jämförelse.

Till exempel kan bara 50 fotoner representera 10 000 000 000 000 000 tal. En klassisk dator skulle kräva ett petabyte-minne för att lagra så många.

Att bearbeta dessa siffror på en klassisk dator är en ännu större uppgift. Det beror på att de flesta superdatorer består av många bearbetningsenheter anslutna i ett gigantiskt datanätverk. Som ett resultat är att hantera dataflödet till och från dessa noder en betydande kommunikationsoverhead.

Denna utmaning har begränsat storleken på simuleringar till långt under gränsen för kvantöverlägsenhet. Det nuvarande världsrekordet är en simulering av 42 qubits, arbete som gjordes på superdatorn Julich 2010. Lite framsteg har gjorts sedan dess på grund av problemen med beräkningskostnader.

Det har nu förändrats tack vare Haners och Steigers arbete. Deras genombrott är att hitta sätt att minska omkostnaderna så att simuleringen kan köras mer än en storleksordning snabbare än tidigare.

Forskarna har tillämpat dessa förbättringar på en uppsättning simuleringar på Cori II-superdatorn vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien. Denna enhet består av 9 304 noder, som var och en innehåller en 68-kärnig Intel Xeon Phi-processor 7250 som körs på 1,4 gigahertz. Detta leder till en toppprestanda på 29,1 petaflops med en petabyte minne.

Uppkallad efter Gerty Cori, den första kvinnan att vinna ett Nobelpris i medicin, är Cori II den femte kraftfullaste superdatorn på planeten. Så det saknas inte beräkningshästkrafter.

Haner och Steiger använde den här enheten för att simulera hur en kvantdator skulle utföra beräkningar med 30, 36, 42 och 45 qubits. För den största simuleringen använde de 0,5 petabyte minne och 8 192 noder, vilket uppnådde en prestanda på 0,428 petaflops.

Det är betydligt mindre än vad maskinen är kapabel till, även med de hastigheter som teamet har designat. Teamet lägger ner denna prestandaförlust till kommunikationsoverheaden, som fortfarande tar upp 75 procent av beräkningstiden.

Haner och Steiger jämförde resultaten med simuleringar av 30- och 36-qubit-datorer som körs på en mindre kraftfull superdator som heter Edison, också vid Lawrence Berkeley Lab. De fann att deras tillvägagångssätt också påskyndade dessa beräkningar. Detta indikerar att de erhållna snabbheterna inte bara var en följd av en ny generation hårdvara [för Cori II], säger Haner och Steiger.

De säger att denna förbättring tyder på att simulering av en 49-qubit-dator borde vara möjlig inom en snar framtid.

Det är intressant arbete som banar väg för framtida kvantdatorer. Data från detta arbete kommer att spela en viktig roll för att säkerställa att fysiker har förtroende för kvantberäkningar när kvantöverlägsenhet äntligen uppnås. Och den dagen ligger säkert inte så långt fram i tiden.

Ref: arxiv.org/abs/1704.01127 : 0,5 Petabyte Simulering av en 45-Qubit Quantum Circuit

Dölj