• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Rekordstora 45-qubit kvantberäkningssimulering körs på NERSC

    Ett multi-qubit-chip utvecklat i Quantum Nanoelectronics Laboratory vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

    När två forskare från Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zürich) i april meddelade att de framgångsrikt hade simulerat en 45-qubit kvantkrets, vetenskapssamhället noterade:det var den största simuleringen någonsin av en kvantdator, och ytterligare ett steg närmare att simulera "kvantöverlägsenhet" - den punkt där kvantdatorer blir mer kraftfulla än vanliga datorer.

    Beräkningarna utfördes vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory. Forskarna Thomas Häner och Damien Steiger, både doktorand studenter vid ETH, använd 8, 192 av 9, 688 Intel Xeon Phi -processorer på NERSC:s senaste superdator, Cori, för att stödja denna simulering, den största i en serie som de körde på NERSC för projektet.

    "Quantum computing" har varit föremål för dedikerad forskning i årtionden, och med god anledning:kvantdatorer har potential att bryta vanliga kryptografitekniker och simulera kvantsystem på en bråkdel av tiden det skulle ta på nuvarande "klassiska" datorer. De gör detta genom att utnyttja partiklarnas kvanttillstånd för att lagra information i qubits (kvantbitar), en enhet med kvantinformation som liknar en vanlig bit i klassisk databehandling. Ännu bättre, qubits har en hemlig kraft:de kan utföra mer än en beräkning åt gången. En qubit kan utföra två beräkningar i en kvantsuperposition, två kan utföra fyra, tre åtta, och så vidare, med en motsvarande exponentiell ökning av kvantparallellism. Men att utnyttja denna kvantparallellism är svårt, som att observera kvanttillståndet får systemet att kollapsa till bara ett svar.

    Så hur nära är vi att förverkliga en äkta fungerande prototyp? Man tror generellt att en kvantdator som distribuerar 49 qubits - en enhet med kvantinformation - kommer att kunna matcha datorkraften hos dagens mest kraftfulla superdatorer. Mot detta ändamål, Häner och Steigers simuleringar kommer att hjälpa till att jämföra och kalibrera kortsiktiga kvantdatorer genom att genomföra kvantöverlägsenhetsexperiment med dessa tidiga enheter och jämföra dem med deras simuleringsresultat. Sålänge, vi ser en ökning av investeringarna i kvantberäkningsteknik från Google, IBM och andra ledande teknikföretag - till och med Volkswagen - som dramatiskt kan påskynda utvecklingsprocessen.

    Simulering och emulering av kvantdatorer

    Både emulering och simulering är viktiga för kalibrering, validera och jämföra nya kvantdatorhårdvaror och arkitekturer. I ett papper som presenterades vid SC16, Häner och Steiger skrev:"Även om storskaliga kvantdatorer ännu inte är tillgängliga, deras prestanda kan härledas med hjälp av kvantkompileringsramar och uppskattningar av potentiella hårdvaruspecifikationer. Dock, utan att testa och felsöka kvantprogram på småskaliga problem, deras riktighet kan inte tas för givet. Simulatorer och emulatorer ... är viktiga för att möta detta behov. "

    Det dokumentet diskuterade emulering av kvantkretsar-en vanlig representation av kvantprogram-medan papperet på 45-qubit fokuserar på att simulera kvantkretsar. Emulering är endast möjlig för vissa typer av kvantsubrutiner, medan simulering av kvantkretsar är en allmän metod som också möjliggör inkludering av effekterna av brus. Sådana simuleringar kan vara mycket utmanande även på dagens snabbaste superdatorer, Häner och Steiger förklarade. För 45-qubit simulering, till exempel, de använde det mesta av det tillgängliga minnet på var och en av de 8, 192 noder. "Detta ökar sannolikheten för nodfel avsevärt, och vi kunde inte förvänta oss att köra på hela systemet i mer än en timme utan att misslyckas, "sa de." Vi var därför tvungna att minska tiden till lösning i alla skalor (nodnivå såväl som klusternivå) för att uppnå denna simulering. "

    Optimering av kvantkretssimulatorn var nyckeln. Häner och Steiger använde automatisk kodgenerering, optimerade beräkningskärnorna och tillämpade en schemaläggningsalgoritm på kvantöverlägsenhetskretsarna, vilket reducerar den nödvändiga nod-till-nod-kommunikationen. Under optimeringsprocessen arbetade de med NERSC -personal och använde Berkeley Labs taklinjemodell för att identifiera potentiella områden där prestanda kan förbättras.

    Förutom 45-qubit-simuleringen, som använde 0,5 petabyte minne på Cori och uppnådde en prestanda på 0,428 petaflops, de simulerade också 30-, 36- och 42-qubit kvantkretsar. När de jämförde resultaten med simuleringar av 30- och 36-qubit kretsar som körs på NERSCs Edison-system, de fann att Edison -simuleringarna också gick snabbare.

    "Våra optimeringar förbättrade prestandan-antalet flytande operationer per gång-med 10x för Edison och mellan 10x och 20x för Cori (beroende på kretsen som ska simuleras och storleken per nod), "Häner och Steiger sa." Tiden till lösning minskade med över 12x jämfört med tiderna för en liknande simulering som rapporterades i en ny tidning om kvantöverlägsenhet av Boixo och samarbetspartners, vilket möjliggjorde 45-bitars simulering. "

    Blickar framåt, duon är intresserad av att utföra fler kvantkretssimuleringar vid NERSC för att bestämma prestanda för närtidskvantdatorer som löser kvantkemiproblem. De hoppas också kunna använda SSD-enheter för att lagra större vågfunktioner och därmed försöka simulera ännu fler qubits.

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com