Bij het debuggen van kwantumhardware en -software met een kwantumsimulator, elke kwantumbit (qubit) telt. Elke gesimuleerde qubit die dichter bij de fysieke machinegrootte ligt, halveert de kloof in rekenkracht tussen de simulatie en de fysieke hardware. Echter, de geheugenbehoefte van full-state simulatie groeit exponentieel met het aantal gesimuleerde qubits, en dit beperkt de grootte van de simulaties die kunnen worden uitgevoerd.

Onderzoekers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory hebben deze kloof aanzienlijk verminderd door datacompressietechnieken te gebruiken om een ​​61-qubit-simulatie van Grover's kwantumzoekalgoritme op een grote supercomputer met een fout van 0,4 procent te passen. Andere kwantumalgoritmen werden ook gesimuleerd met aanzienlijk meer qubits en kwantumpoorten dan eerdere inspanningen.

Klassieke simulatie van kwantumcircuits is cruciaal voor een beter begrip van de werking en het gedrag van kwantumberekening. Echter, de praktische full-state simulatielimiet van vandaag is 48 qubits, omdat het aantal kwantumtoestandamplitudes dat nodig is voor de volledige simulatie exponentieel toeneemt met het aantal qubits, waardoor het fysieke geheugen de beperkende factor wordt. Gegeven n qubits, wetenschappers hebben 2^n amplitudes nodig om het kwantumsysteem te beschrijven.

Er zijn al verschillende bestaande technieken die uitvoeringstijd inruilen voor geheugenruimte. Voor verschillende doeleinden, mensen kiezen voor verschillende simulatietechnieken. Dit werk biedt nog een optie in de set tools om kwantumcircuitsimulatie te schalen, het toepassen van lossless en lossy datacompressietechnieken op de toestandsvectoren.

Figuur 1 toont een overzicht van ons simulatieontwerp. De Message Passing Interface (MPI) wordt gebruikt om de simulatie parallel uit te voeren. Ervan uitgaande dat we n-qubit-systemen simuleren en in totaal r-rangen hebben, de toestandsvector is gelijk verdeeld over r-rangen, en elke partiële toestandsvector is verdeeld in nb blokken op elke rangorde. Elk blok wordt in een gecomprimeerd formaat in het geheugen opgeslagen.

Figuur 2 toont de amplitudeverdeling in twee verschillende benchmarks. "Als de toestandsamplitudeverdeling uniform is, we kunnen gemakkelijk een hoge compressieverhouding krijgen met het verliesvrije compressie-algoritme, " zei onderzoeker Xin-Chuan Wu. "Als we geen mooie compressieverhouding kunnen krijgen, onze simulatieprocedure zal foutgebonden compressie met verlies toepassen om simulatienauwkeurigheid in te ruilen voor compressieverhouding."

Het volledige full-state simulatieraamwerk met datacompressie maakt gebruik van MPI om te communiceren tussen rekenknooppunten. De simulatie werd uitgevoerd op de Theta-supercomputer van het Argonne National Laboratory. Theta bestaat uit 4, 392 knooppunten, elk knooppunt bevat een 64-core Intel Xeon PhiTM-processor 7230 met 16 gigabyte high-bandwidth in-package memory (MCDRAM) en 192 GB DDR4 RAM.

Het volledige papier, "Full-State Quantum Circuit-simulatie door gebruik te maken van datacompressie, " werd gepubliceerd door The International Conference for High Performance Computing, Netwerken, Opslag, en analyse (SC'19).