När du försöker felsöka kvanthårdvara och mjukvara med en kvantsimulator, varje kvantbit (qubit) räknas. Varje simulerad qubit närmare fysiska maskinstorlekar halverar gapet i datorkraft mellan simuleringen och den fysiska hårdvaran. Dock, minneskravet för fulltillståndssimulering växer exponentiellt med antalet simulerade qubits, och detta begränsar storleken på simuleringar som kan köras.

Forskare vid University of Chicago och Argonne National Laboratory minskade detta gap avsevärt genom att använda datakomprimeringstekniker för att passa en 61-qubit-simulering av Grovers kvantsökningsalgoritm på en stor superdator med 0,4 procents fel. Andra kvantalgoritmer simulerades också med betydligt fler kvantbitar och kvantgrindar än tidigare försök.

Klassisk simulering av kvantkretsar är avgörande för att bättre förstå hur kvantberäkningen fungerar och beteenden. Dock, dagens praktiska full-state simuleringsgräns är 48 qubits, eftersom antalet kvanttillståndsamplituder som krävs för den fullständiga simuleringen ökar exponentiellt med antalet kvantbitar, gör det fysiska minnet till den begränsande faktorn. Givet n qubits, forskare behöver 2^n amplituder för att beskriva kvantsystemet.

Det finns redan flera befintliga tekniker som byter ut exekveringstid mot minnesutrymme. För olika ändamål, människor väljer olika simuleringstekniker. Detta arbete ger ytterligare ett alternativ i uppsättningen verktyg för att skala kvantkretssimulering, applicering av förlustfria och förlustfria datakomprimeringstekniker på tillståndsvektorerna.

Figur 1 visar en översikt över vår simuleringsdesign. Message Passing Interface (MPI) används för att utföra simuleringen parallellt. Om vi ​​antar att vi simulerar n-qubit-system och har r-rang totalt, tillståndsvektorn är lika uppdelad i r led, och varje partiell tillståndsvektor är uppdelad i nb -block på varje rang. Varje block lagras i ett komprimerat format i minnet.

Figur 2 visar amplitudfördelningen i två olika riktmärken. "Om tillståndsamplitudfördelningen är enhetlig, vi kan enkelt få ett högt kompressionsförhållande med den förlustfria kompressionsalgoritmen, " sa forskaren Xin-Chuan Wu. "Om vi ​​inte kan få ett bra kompressionsförhållande, vår simuleringsprocedur kommer att använda felbegränsad förlustkompression för att handla simuleringsnoggrannhet för kompressionsförhållande."

Hela simuleringsramverket i full tillstånd med datakomprimering utnyttjar MPI för att kommunicera mellan beräkningsnoder. Simuleringen utfördes på superdatorn Theta vid Argonne National Laboratory. Theta består av 4, 392 noder, varje nod innehåller en 64-kärnig Intel Xeon PhiTM-processor 7230 med 16 gigabyte högbandsbredd i paketet minne (MCDRAM) och 192 GB DDR4 RAM.

Hela papperet, "Full-State Quantum Circuit Simulation genom att använda datakomprimering, " publicerades av The International Conference for High Performance Computing, Nätverk, Lagring, och Analys (SC'19).