211service.com
Superdatamaskinsimulering gir et innblikk i fremtiden til kvantedatamaskiner
Et eksempel på den typen oppgave som kan simuleres på en 45-qubit-datamaskin
Dataforskere har et navn på punktet der kvantedatamaskiner blir kraftigere enn vanlige datamaskiner. De kaller det kvanteoverlegenhet, og etter alt å dømme nærmer tiden seg raskt.
Dagens tankegang er at en kvantedatamaskin som er i stand til å håndtere 49 qubits vil matche evnen til den kraftigste superdatamaskinen på planeten. Og alt som er større enn det vil være utenom vanlige datamaskiner.
Det er ikke helt mulig ennå. Men det reiser viktige spørsmål om hvordan vi kan vite om disse kvantedatamaskinene vil fungere som forventet. For å finne ut av det har informatikere begynt å bruke kraftige klassiske datamaskiner for å simulere oppførselen til kvantedatamaskiner.
Tanken er å kalibrere og benchmarke oppførselen deres så nøyaktig som mulig, mens vi fortsatt kan. Etter det må vi bare stole på kvanteverdenen.
Selvfølgelig har ingen ennå simulert en 49-qubit kvantedatamaskin. Men i dag kunngjør Thomas Haner og Damian Steiger fra ETH Zürich i Sveits det mest ambisiøse forsøket til nå.
Disse gutta har brukt den femte kraftigste superdatamaskinen i verden for å simulere oppførselen til en 45-qubit kvantedatamaskin. Så vidt vi vet, utgjør dette en ny rekord i maksimalt antall simulerte qubits, sier Haner og Steiger. Og de viser hvordan kraftigere simuleringer burde være mulig.
Disse simuleringene er vanskelige på grunn av omfanget av beregningene som kvantedatamaskiner gjør mulig. Denne store kraften kommer fra kvantefenomenet superposisjon, som gjør at kvantepartikler, som fotoner, kan eksistere i mer enn én tilstand på samme tid.
For eksempel kan et horisontalt polarisert foton representere en 0 og et vertikalt polarisert foton kan representere en en . Men når et foton eksisterer som en superposisjon av både horisontale og vertikale polarisasjoner på samme tid, kan det representere både en 0 og en i et regnestykke.
På denne måten kan to fotoner representere fire tall, tre fotoner kan representere åtte tall, og så videre. Det er her kvantedatamaskiner får sine beregningshestekrefter, og det er grunnen til at klassiske datamaskiner blekner i sammenligning.
For eksempel kan bare 50 fotoner representere 10 000 000 000 000 000 tall. En klassisk datamaskin vil kreve et minne i petabyte-skala for å lagre så mange.
Å behandle disse tallene på en klassisk datamaskin er en enda større oppgave. Det er fordi de fleste superdatamaskiner består av mange prosesseringsenheter koblet i et gigantisk datanettverk. Som et resultat er det en betydelig kommunikasjonsoverhead å administrere dataflyten til og fra disse nodene.
Denne utfordringen har begrenset størrelsen på simuleringer til godt under grensen for kvanteoverlegenhet. Den nåværende verdensrekorden er en simulering av 42 qubits, arbeid som ble gjort på Julich-superdatamaskinen i 2010. Lite fremskritt har blitt gjort siden den gang på grunn av problemene med beregningsmessige overhead.
Det har nå endret seg takket være arbeidet til Haner og Steiger. Deres gjennombrudd er å finne måter å redusere overhead på, slik at simuleringen kan kjøre mer enn en størrelsesorden raskere enn før.
Forskerne har brukt disse forbedringene på et sett med simuleringer på Cori II-superdatamaskinen ved Lawrence Berkeley National Laboratory i California. Denne enheten består av 9 304 noder, som hver inneholder en 68-kjerners Intel Xeon Phi-prosessor 7250 som kjører på 1,4 gigahertz. Dette fører til en toppytelse på 29,1 petaflops med én petabyte minne.
Oppkalt etter Gerty Cori, den første kvinnen som vant en Nobelpris i medisin, er Cori II den femte kraftigste superdatamaskinen på planeten. Så det mangler ikke på beregningshestekrefter.
Haner og Steiger brukte denne enheten til å simulere måten en kvantedatamaskin ville utføre beregninger ved å bruke 30, 36, 42 og 45 qubits. For den største simuleringen brukte de 0,5 petabyte minne og 8 192 noder, og oppnådde en ytelse på 0,428 petaflops.
Det er betydelig mindre enn maskinen er i stand til, selv med hastighetsøkningene teamet har designet. Teamet legger ned dette tapet av ytelse til kommunikasjonsoverheaden, som fortsatt tar opp 75 prosent av beregningstiden.
Haner og Steiger sammenlignet resultatene med simuleringer av 30- og 36-qubit-datamaskiner som kjøres på en mindre kraftig superdatamaskin kalt Edison, også ved Lawrence Berkeley Lab. De fant ut at deres tilnærming også fremskyndet disse beregningene. Dette indikerer at de oppnådde hastighetsøkningene ikke bare var en konsekvens av en ny generasjon maskinvare [for Cori II], sier Haner og Steiger.
De sier at denne forbedringen antyder at simulering av en 49-qubit datamaskin burde være mulig i nær fremtid.
Det er interessant arbeid som baner vei for fremtidige kvantedatamaskiner. Dataene fra dette arbeidet vil spille en viktig rolle for å sikre at fysikere har tillit til kvanteberegninger når kvanteoverlegenhet endelig er oppnådd. Og den dagen er sikkert ikke så langt frem i tid.
Ref: arxiv.org/abs/1704.01127 : 0,5 Petabyte Simulering av en 45-Qubit Quantum Circuit