De nye referansekvantedatamaskinene må slå for å oppnå kvanteoverlegenhet

IBM Research; OLCF hos ORNL | FLickr

To ganger i året publiserer TOP500-prosjektet en rangering av verdens kraftigste datamaskiner. Listen er etterlengtet og enormt innflytelsesrik. Globale supermakter konkurrerer om å dominere rangeringen, og i skrivende stund truer Kina størst, med 229 enheter på listen.

USA har bare 121, men dette inkluderer verdens kraftigste: Summit-superdatamaskinen ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, som ble klokket til 143 petaflops (143 tusen millioner millioner flytende kommaoperasjoner per sekund).

Rangeringen bestemmes av et benchmarking-program kalt Linpack, som er en samling av Fortran-subrutiner som løser en rekke lineære ligninger. Tiden det tar å løse ligningene er et mål på datamaskinens hastighet.

Relatert historie

Les mer om dette emnet

Hvordan det fungerer, hvorfor det er så kraftig, og hvor det sannsynligvis vil være mest nyttig først

Det mangler ikke på kontroverser om dette valget av benchmark. Dataarkitekturer er vanligvis optimalisert for å løse spesifikke problemer, og mange av disse er svært forskjellige fra Linpack-utfordringen. Kvantedatamaskiner, for eksempel, er helt uegnet til å løse denne typen problemer.

Og det reiser et viktig spørsmål. Kvantedatamaskiner er på nippet til å overgå de kraftigste superdatamaskinene for visse typer problemer, men nøyaktig hvor kraftige er de? Spørsmålet er hvordan man kan måle ytelsen og sammenligne den med den til klassiske datamaskiner.

I dag får vi svar takket være arbeidet til Benjamin Villalonga ved Quantum Artificial Intelligence Lab ved NASA Ames Research Center i Mountain View, California, og en gruppe kolleger som har utviklet en benchmarking-test som fungerer på både klassiske og kvanteenheter. På denne måten er det mulig å sammenligne ytelsen deres.

I tillegg har teamet brukt den nye testen til å sette Summit, verdens kraftigste superdatamaskin, gjennom tempoet på 281 petaflops. Resultatet er målestokken som kvantedatamaskiner må slå for å endelig etablere sin overlegenhet i rangeringen.

Å finne et godt mål på kvantedatakraft er ingen enkel oppgave. Til å begynne med har informatikere lenge visst at kvantedatamaskiner kan utkonkurrere sine klassiske kolleger i bare et begrenset antall høyt spesialiserte oppgaver. Og selv da er ingen kvantedatamaskin for øyeblikket kraftig nok til å utføre noen av dem spesielt godt fordi de for eksempel ikke er i stand til feilretting.

Så Villalonga og co så etter en mye mer grunnleggende test av kvantedatakraft som ville fungere like godt for dagens primitive enheter og morgendagens mer avanserte kvantemaskiner, og som også kunne simuleres på klassiske maskiner.

Deres valgte problem er å simulere utviklingen av kvantekaos ved hjelp av tilfeldige kvantekretser. Enkle kvantedatamaskiner kan gjøre dette fordi prosessen ikke krever kraftig feilretting, og det er relativt enkelt å filtrere ut resultater som har blitt overveldet av støy.

Det er også enkelt for klassiske maskiner å simulere kvantekaos. Men den klassiske datakraften som kreves for å gjøre dette, stiger eksponentielt med antall qubits involvert.

For to år siden bestemte fysikere at kvantedatamaskiner med minst 50 qubits skulle oppnå kvanteoverlegenhet over en klassisk superdatamaskin på den tiden.

Men målstolpene beveger seg hele tiden ettersom superdatamaskiner oppgraderes. For eksempel er Summit i stand til betydelig flere petaflops nå enn i den siste rangeringen i november, da den tippet skalaen til 143 petaflops. Faktisk avduket Oak Ridge National Labs denne uken planer om å bygge en 1,5-eksaflop-maskin innen 2021. Så det å kunne kontinuerlig måle disse maskinene mot de nye kvantedatamaskinene blir stadig viktigere.

Forskere ved NASA og Google har laget en algoritme kalt qFlex som simulerer tilfeldige kvantekretser på en klassisk maskin. I fjor viste de at qFlex kunne simulere og benchmarke ytelsen til en Google kvantedatamaskin kalt Bristlecone, som har 72 qubits. For å gjøre dette brukte de en superdatamaskin hos NASA Ames med 20 petaflops med tallknusende kraft.

Nå har de vist at Summit-superdatamaskinen kan simulere ytelsen til en mye større kvanteenhet. På Summit var vi i stand til å oppnå en vedvarende ytelse på 281 Pflop/s (enkelt presisjon) over hele superdatamaskinen, og simulerte kretser på 49 og 121 qubits, sier de.

Disse 121 qubits er utenfor evnen til noen eksisterende kvantedatamaskin. Så klassiske datamaskiner er fortsatt en hårsbredd foran i rangeringen.

Men dette er et løp de er skjebnebestemt til å tape. Planer er allerede i gang for å bygge kvantedatamaskiner med 100+ qubits i løpet av de neste årene. Og etter hvert som kvantekapasiteten akselererer, kommer utfordringen med å bygge stadig kraftigere klassiske maskiner allerede opp mot bufferne.

Den begrensende faktoren for nye maskiner er ikke lenger maskinvaren, men kraften som er tilgjengelig for å holde dem summende. Summit-maskinen krever allerede en 14 megawatt strømforsyning. Det er nok til å lyse opp en hel middels stor by. Å skalere et slikt system med 10x vil kreve 140 MW kraft, noe som vil være uoverkommelig dyrt, sier Villalonga og co.

Derimot er kvantedatamaskiner sparsommelige. Hovedkraftbehovet deres er kjøling for superledende komponenter. Så en 72-qubit datamaskin som Googles Bristlecone, for eksempel, krever omtrent 14 kw. Selv når qubit-systemer skalerer opp, er det usannsynlig at denne mengden vil vokse betydelig, sier Villalonga og co.

Så i effektivitetsrangeringen er kvantedatamaskiner forutbestemt til å tørke gulvet med sine klassiske motstykker før heller enn senere.

På en eller annen måte kommer kvanteoverherredømmet. Hvis dette arbeidet er noe å gå etter, vil benchmarken som vil bevise det sannsynligvis være qFlex.

Ref: arxiv.org/abs/1905.00444 : Etablering av Quantum Supremacy Frontier med en 281 Pflop/s simulering

gjemme seg