Toen twee onderzoekers van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH Zürich) in april aankondigden dat ze met succes een kwantumcircuit van 45 qubit hadden gesimuleerd, de wetenschappelijke gemeenschap merkte het op:het was de grootste simulatie ooit van een kwantumcomputer, en weer een stap dichter bij het simuleren van 'kwantum suprematie' - het punt waarop kwantumcomputers krachtiger worden dan gewone computers.

De berekeningen zijn uitgevoerd bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science User Facility bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy. Onderzoekers Thomas Häner en Damien Steiger, zowel Ph.D. studenten aan de ETH, gebruikt 8, 192 van 9, 688 Intel Xeon Phi-processors op de nieuwste supercomputer van NERSC, Cori, om deze simulatie te ondersteunen, de grootste in een reeks die ze voor het project bij NERSC liepen.

"Quantum computing" is al tientallen jaren onderwerp van toegewijd onderzoek, en met goede reden:kwantumcomputers hebben het potentieel om gemeenschappelijke cryptografietechnieken te doorbreken en kwantumsystemen te simuleren in een fractie van de tijd die het zou kosten met de huidige "klassieke" computers. Ze doen dit door gebruik te maken van de kwantumtoestanden van deeltjes om informatie op te slaan in qubits (quantumbits), een eenheid van kwantuminformatie die lijkt op een regulier bit in klassieke informatica. Beter nog, qubits hebben een geheime kracht:ze kunnen meer dan één berekening tegelijk uitvoeren. Eén qubit kan twee berekeningen uitvoeren in een kwantumsuperpositie, twee kunnen vier uitvoeren, drie acht, enzovoorts, met een overeenkomstige exponentiële toename van kwantumparallellisme. Toch is het moeilijk om dit kwantumparallellisme te benutten, omdat het observeren van de kwantumtoestand ervoor zorgt dat het systeem instort tot slechts één antwoord.

Dus hoe dicht zijn we bij het realiseren van een echt werkend prototype? Algemeen wordt aangenomen dat een kwantumcomputer die 49 qubits gebruikt - een eenheid van kwantuminformatie - in staat zal zijn om de rekenkracht van de krachtigste supercomputers van vandaag te evenaren. Tegen dit doel, De simulaties van Häner en Steiger zullen helpen bij het benchmarken en kalibreren van kwantumcomputers op de korte termijn door quantum suprematie-experimenten uit te voeren met deze vroege apparaten en ze te vergelijken met hun simulatieresultaten. Ondertussen, we zien een toename van investeringen in kwantumcomputertechnologie van bedrijven als Google, IBM en andere toonaangevende technologiebedrijven, zelfs Volkswagen, zouden het ontwikkelingsproces drastisch kunnen versnellen.

Simulatie en emulatie van kwantumcomputers

Zowel emulatie als simulatie zijn belangrijk voor het kalibreren, valideren en benchmarken van opkomende kwantumcomputerhardware en -architecturen. In een paper gepresenteerd op SC16, Häner en Steiger schreven:"Hoewel grootschalige kwantumcomputers nog niet beschikbaar zijn, hun prestaties kunnen worden afgeleid met behulp van kwantumcompilatiekaders en schattingen van mogelijke hardwarespecificaties. Echter, zonder kwantumprogramma's op kleinschalige problemen te testen en te debuggen, hun juistheid kan niet als vanzelfsprekend worden beschouwd. Simulators en emulators … zijn essentieel om aan deze behoefte te voldoen."

Dat artikel besprak het emuleren van kwantumcircuits - een veel voorkomende weergave van kwantumprogramma's - terwijl het 45-qubit-papier zich richt op het simuleren van kwantumcircuits. Emulatie is alleen mogelijk voor bepaalde typen kwantumsubroutines, terwijl de simulatie van kwantumcircuits een algemene methode is waarmee ook de effecten van ruis kunnen worden opgenomen. Dergelijke simulaties kunnen zelfs op de snelste supercomputers van vandaag een grote uitdaging zijn. Häner en Steiger legden het uit. Voor de simulatie van 45 qubits, bijvoorbeeld, ze gebruikten het grootste deel van het beschikbare geheugen op elk van de 8, 192 knooppunten. "Dit verhoogt de kans op het falen van een knoop aanzienlijk, en we konden niet verwachten dat we meer dan een uur zonder storingen op het volledige systeem zouden kunnen draaien, " zeiden ze. "We moesten dus de tijd tot oplossing op alle schalen (zowel op knooppuntniveau als op clusterniveau) verkorten om deze simulatie te bereiken."

Het optimaliseren van de kwantumcircuitsimulator was de sleutel. Häner en Steiger gebruikten automatische codegeneratie, de rekenkernels geoptimaliseerd en een planningsalgoritme toegepast op de kwantumsuprematiecircuits, waardoor de vereiste knooppunt-naar-knooppuntcommunicatie wordt verminderd. Tijdens het optimalisatieproces werkten ze samen met NERSC-medewerkers en gebruikten ze het Daklijnmodel van Berkeley Lab om mogelijke gebieden te identificeren waar de prestaties konden worden verbeterd.

Naast de simulatie van 45 qubits, die 0,5 petabyte geheugen op Cori gebruikte en een prestatie van 0,428 petaflops behaalde, ze simuleerden ook 30-, 36- en 42-qubit kwantumcircuits. Toen ze de resultaten vergeleken met simulaties van 30- en 36-qubit-circuits op het Edison-systeem van NERSC, ze ontdekten dat de Edison-simulaties ook sneller liepen.

"Onze optimalisaties verbeterden de prestaties - het aantal drijvende-kommabewerkingen per keer - met 10x voor Edison en tussen 10x en 20x voor Cori (afhankelijk van het circuit dat moet worden gesimuleerd en de grootte per knooppunt), "Häner en Steiger zeiden. "De tijd tot oplossing is met meer dan 12x afgenomen in vergelijking met de tijden van een vergelijkbare simulatie die is gerapporteerd in een recent artikel over kwantumoverheersing door Boixo en medewerkers, die de 45-qubit-simulatie mogelijk maakte."

Vooruit kijken, het duo is geïnteresseerd in het uitvoeren van meer kwantumcircuitsimulaties bij NERSC om de prestaties te bepalen van kwantumcomputers op korte termijn die kwantumchemieproblemen oplossen. Ze hopen ook solid-state schijven te gebruiken om grotere golffuncties op te slaan en zo nog meer qubits te simuleren.