211service.com
Supercomputersimulatie biedt een kijkje in de toekomst van kwantumcomputers
Een voorbeeld van het soort taak dat kan worden gesimuleerd op een 45-qubit-computer
Computerwetenschappers hebben een naam voor het punt waarop kwantumcomputers krachtiger worden dan gewone computers. Ze noemen het kwantum suprematie, en door alle verslagen nadert die tijd snel.
De huidige gedachte is dat een kwantumcomputer die 49 qubits aankan, de capaciteiten van de krachtigste supercomputer ter wereld evenaart. En alles wat groter is dan dat, valt buiten het bereik van gewone computermachines.
Dat kan nog niet helemaal. Maar het roept belangrijke vragen op over hoe we kunnen weten of deze kwantumcomputers zullen werken zoals verwacht. Om daar achter te komen, zijn computerwetenschappers begonnen met het gebruik van krachtige klassieke computers om het gedrag van kwantumcomputers te simuleren.
Het idee is om hun gedrag zo nauwkeurig mogelijk te kalibreren en te benchmarken, nu het nog kan. Daarna moeten we gewoon de kwantumwereld vertrouwen.
Natuurlijk heeft nog niemand een kwantumcomputer van 49 qubit gesimuleerd. Maar vandaag kondigen Thomas Haner en Damian Steiger van ETH Zürich in Zwitserland de meest ambitieuze poging tot nu toe aan.
Deze jongens hebben de vijfde krachtigste supercomputer ter wereld gebruikt om het gedrag van een 45-qubit kwantumcomputer te simuleren. Voor zover wij weten, vormt dit een nieuw record in het maximale aantal gesimuleerde qubits, zeggen Haner en Steiger. En ze laten zien hoe krachtiger simulaties mogelijk zouden moeten zijn.
Deze simulaties zijn moeilijk vanwege de enorme omvang van de berekeningen die kwantumcomputers mogelijk maken. Deze grote kracht komt van het kwantumfenomeen van superpositie, waardoor kwantumdeeltjes, zoals fotonen, tegelijkertijd in meer dan één toestand kunnen bestaan.
Een horizontaal gepolariseerd foton kan bijvoorbeeld a . vertegenwoordigen 0 en een verticaal gepolariseerd foton kan a . vertegenwoordigen een . Maar wanneer een foton bestaat als een superpositie van zowel horizontale als verticale polarisaties tegelijkertijd, kan het zowel een 0 en een bij een berekening.
Op deze manier kunnen twee fotonen vier getallen vertegenwoordigen, drie fotonen acht getallen, enzovoort. Dit is waar kwantumcomputers hun rekenkracht krijgen, en daarom verbleken klassieke computers in vergelijking.
Slechts 50 fotonen kunnen bijvoorbeeld 10.000.000.000.000.000 getallen vertegenwoordigen. Een klassieke computer zou een petabyte-schaal geheugen nodig hebben om zoveel op te slaan.
Het verwerken van deze getallen op een klassieke computer is een nog grotere taak. Dat komt omdat de meeste supercomputers bestaan uit vele verwerkingseenheden die zijn verbonden in een gigantisch computernetwerk. Als gevolg hiervan is het beheren van de gegevensstroom van en naar deze knooppunten een aanzienlijke communicatie-overhead.
Deze uitdaging heeft de omvang van simulaties beperkt tot ruim onder de limiet van kwantumoverheersing. Het huidige wereldrecord is een simulatie van 42 qubits, werk dat in 2010 op de Julich-supercomputer is gedaan. Sindsdien is er weinig vooruitgang geboekt vanwege de problemen met de rekenkundige overhead.
Dat is nu veranderd dankzij het werk van Haner en Steiger. Hun doorbraak is manieren te vinden om de overhead te verminderen, zodat de simulatie meer dan een orde van grootte sneller kan verlopen dan voorheen.
De onderzoekers hebben deze verbeteringen toegepast op een reeks simulaties op de Cori II-supercomputer van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië. Dit apparaat bestaat uit 9.304 nodes, die elk een 68-core Intel Xeon Phi-processor 7250 bevatten die draait op 1,4 gigahertz. Dit leidt tot een piekprestatie van 29,1 petaflops met één petabyte geheugen.
De Cori II, genoemd naar Gerty Cori, de eerste vrouw die een Nobelprijs voor geneeskunde won, is de vijfde krachtigste supercomputer ter wereld. Er is dus geen gebrek aan rekenkracht.
Haner en Steiger gebruikten dit apparaat om de manier te simuleren waarop een kwantumcomputer berekeningen zou uitvoeren met 30, 36, 42 en 45 qubits. Voor de grootste simulatie gebruikten ze 0,5 petabyte geheugen en 8.192 nodes, waarmee ze een prestatie van 0,428 petaflops bereikten.
Dat is aanzienlijk minder dan waartoe de machine in staat is, zelfs met de versnellingen die het team heeft ontworpen. Het team schreef dit prestatieverlies toe aan de communicatieoverhead, die nog steeds 75 procent van de rekentijd in beslag neemt.
Haner en Steiger vergeleken de resultaten met simulaties van 30- en 36-qubit-computers die draaien op een minder krachtige supercomputer genaamd Edison, ook in het Lawrence Berkeley Lab. Ze ontdekten dat hun aanpak deze berekeningen ook versnelde. Dit geeft aan dat de verkregen versnellingen niet alleen het gevolg waren van een nieuwe generatie hardware [voor Cori II], zeggen Haner en Steiger.
Ze zeggen dat deze verbetering suggereert dat simulatie van een 49-qubit-computer in de nabije toekomst mogelijk zou moeten zijn.
Dat is interessant werk dat de weg vrijmaakt voor toekomstige kwantumcomputers. De gegevens van dit werk zullen een belangrijke rol spelen om ervoor te zorgen dat natuurkundigen vertrouwen hebben in kwantumberekeningen wanneer kwantumsuprematie uiteindelijk wordt bereikt. En die dag ligt zeker niet te ver in de toekomst.
Referentie: arxiv.org/abs/1704.01127 : 0,5 Petabyte Simulatie van een 45-Qubit Quantum Circuit