De nieuwe benchmark-kwantumcomputers moeten verslaan om quantum suprematie te bereiken

IBM-onderzoek; OLCF bij ORNL | Flickr

Twee keer per jaar publiceert het TOP500-project een ranglijst van 's werelds krachtigste computers. Er wordt reikhalzend uitgekeken naar de lijst en enorm invloedrijk. Wereldwijde grootmachten concurreren om de ranglijst te domineren, en op het moment van schrijven is China de grootste, met 229 apparaten op de lijst.

De VS hebben er slechts 121, maar dit omvat 's werelds krachtigste: de Summit-supercomputer in het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, die werd geklokt op 143 petaflops (143 miljard miljoen drijvende-kommabewerkingen per seconde).

De rangorde wordt bepaald door een benchmarkprogramma genaamd Linpack, een verzameling Fortran-subroutines die een reeks lineaire vergelijkingen oplossen. De tijd die nodig is om de vergelijkingen op te lossen, is een maat voor de snelheid van de computer.

Verwant verhaal

Lees meer over dit onderwerp

Hoe het werkt, waarom het zo krachtig is en waar het waarschijnlijk het eerst nuttig zal zijn

Er is geen gebrek aan controverse over deze keuze van benchmark. Computerarchitecturen zijn meestal geoptimaliseerd om specifieke problemen op te lossen, en veel hiervan verschillen sterk van de Linpack-uitdaging. Quantumcomputers zijn bijvoorbeeld totaal ongeschikt om dit soort problemen op te lossen.

En dat roept een belangrijke vraag op. Quantumcomputers staan ​​op het punt om beter te presteren dan de krachtigste supercomputers voor bepaalde soorten problemen, maar hoe krachtig zijn ze precies? Het gaat om de vraag hoe hun prestaties te meten en te vergelijken met die van klassieke computers.

Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Benjamin Villalonga in het Quantum Artificial Intelligence Lab van het NASA Ames Research Center in Mountain View, Californië, en een groep collega's die een benchmarkingtest hebben ontwikkeld die werkt op zowel klassieke als kwantumapparaten. Op deze manier is het mogelijk om hun prestaties te vergelijken.

Bovendien heeft het team de nieuwe test gebruikt om de Summit, 's werelds krachtigste supercomputer, op de proef te stellen met een snelheid van 281 petaflops. Het resultaat is de maatstaf die kwantumcomputers moeten verslaan om eindelijk hun suprematie in de ranglijst te vestigen.

Het vinden van een goede maatstaf voor kwantumcomputerkracht is geen gemakkelijke taak. Om te beginnen weten computerwetenschappers al lang dat kwantumcomputers hun klassieke tegenhangers kunnen overtreffen in slechts een beperkt aantal zeer gespecialiseerde taken. En zelfs dan is geen enkele kwantumcomputer op dit moment krachtig genoeg om ze bijzonder goed uit te voeren, omdat ze bijvoorbeeld niet in staat zijn tot foutcorrectie.

Dus zochten Villalonga en co naar een veel fundamentelere test van kwantumcomputerkracht die even goed zou werken voor de primitieve apparaten van vandaag als de meer geavanceerde kwantummachines van morgen, en die ook op klassieke machines zou kunnen worden gesimuleerd.

Hun gekozen probleem is om de evolutie van kwantumchaos te simuleren met behulp van willekeurige kwantumcircuits. Eenvoudige kwantumcomputers kunnen dit omdat het proces geen krachtige foutcorrectie vereist en het relatief eenvoudig is om resultaten uit te filteren die overweldigd zijn door ruis.

Het is ook eenvoudig voor klassieke machines om kwantumchaos te simuleren. Maar de klassieke rekenkracht die hiervoor nodig is, stijgt exponentieel met het aantal qubits dat erbij betrokken is.

Twee jaar geleden bepaalden natuurkundigen dat kwantumcomputers met ten minste 50 qubits op dat moment kwantumsuprematie zouden moeten bereiken over een klassieke supercomputer.

Maar de doelpalen bewegen voortdurend terwijl supercomputers worden geüpgraded. Zo is Summit nu in staat tot aanzienlijk meer petaflops dan in de laatste ranglijst in november, toen de weegschaal doorsloeg op 143 petaflops. Inderdaad, Oak Ridge National Labs heeft deze week plannen onthuld om tegen 2021 een machine van 1,5 exaflop te bouwen. Het wordt dus steeds belangrijker om deze machines voortdurend te benchmarken met de opkomende kwantumcomputers.

Onderzoekers van NASA en Google hebben een algoritme gemaakt met de naam qFlex dat willekeurige kwantumcircuits op een klassieke machine simuleert. Vorig jaar toonden ze aan dat qFlex de prestaties van een Google-kwantumcomputer genaamd Bristlecone, die 72 qubits heeft, kon simuleren en benchmarken. Om dit te doen, gebruikten ze een supercomputer bij NASA Ames met 20 petaflops aan rekenkracht.

Nu hebben ze aangetoond dat de Summit-supercomputer de prestaties van een veel groter kwantumapparaat kan simuleren. Op Summit waren we in staat om een ​​aanhoudende prestatie van 281 Pflop/s (enkele precisie) over de hele supercomputer te bereiken, waarbij circuits van 49 en 121 qubits werden gesimuleerd, zeggen ze.

Deze 121 qubits gaat het vermogen van een bestaande kwantumcomputer te boven. Klassieke computers blijven dus een haartje voor op de ranglijst.

Maar dit is een race die ze zijn voorbestemd om te verliezen. Er zijn al plannen om de komende jaren kwantumcomputers met 100+ qubits te bouwen. En naarmate de kwantumcapaciteiten toenemen, stuit de uitdaging om steeds krachtigere klassieke machines te bouwen al op de buffers.

De beperkende factor voor nieuwe machines is niet langer de hardware, maar het vermogen dat beschikbaar is om ze draaiende te houden. De Summit-machine heeft al een voeding van 14 megawatt nodig. Dat is genoeg om een ​​hele middelgrote stad te verlichten. Om zo'n systeem met 10x te schalen, zou 140 MW vermogen nodig zijn, wat onbetaalbaar zou zijn, zeggen Villalonga en co.

Daarentegen zijn kwantumcomputers zuinig. Hun belangrijkste stroombehoefte is de koeling van supergeleidende componenten. Dus een 72-qubit-computer zoals Google's Bristlecone heeft bijvoorbeeld ongeveer 14 kw nodig. Zelfs als qubit-systemen opschalen, is het onwaarschijnlijk dat dit aantal aanzienlijk zal groeien, zeggen Villalonga en co.

Dus in de efficiëntieranglijst zijn kwantumcomputers voorbestemd om vroeg of laat de vloer aan te vegen met hun klassieke tegenhangers.

Op de een of andere manier komt kwantumsuprematie eraan. Als dit werk iets is om door te gaan, is de benchmark die het zal bewijzen waarschijnlijk qFlex.

Referentie: arxiv.org/abs/1905.00444 : De Quantum Supremacy Frontier tot stand brengen met een 281 Pflop/s-simulatie

zich verstoppen