Новые эталонные квантовые компьютеры должны побеждать, чтобы достичь квантового превосходства


Физики уверены, что квантовый компьютер скоро превзойдет самый мощный суперкомпьютер в мире. Чтобы доказать это, они разработали тест, который будет противопоставлять друг друга.

Два раза в год проект TOP500 публикует рейтинг самых мощных компьютеров мира. Список с нетерпением ожидаемый и чрезвычайно влиятельный. Глобальные супердержавы конкурируют за доминирование в рейтинге, и на момент написания статьи Китай вырисовывался крупнейшим, с 229 устройствами в списке.

У США всего 121, но это самый мощный в мире суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Риджа в Теннесси, который работал со скоростью 143 петафлопс (143 тысячи миллионов операций с плавающей запятой в секунду).

Ранжирование определяется программой сравнительного анализа Linpack, которая представляет собой набор подпрограмм Fortran, которые решают ряд линейных уравнений. Время, затрачиваемое на решение уравнений, является мерой скорости компьютера.

Там нет недостатка в спорах по поводу этого выбора эталона. Компьютерные архитектуры обычно оптимизируются для решения конкретных проблем, и многие из них сильно отличаются от задач Linpack. Например, квантовые компьютеры совершенно не подходят для решения подобных задач.

И это поднимает важный вопрос. Квантовые компьютеры находятся на грани опережения самых мощных суперкомпьютеров по определенным типам задач, но насколько они мощные? Спорным является вопрос о том, как измерить их производительность и сравнить ее с классическими компьютерами.

Сегодня мы получаем ответ благодаря работе Бенджамина Вильялонга в Лаборатории квантового искусственного интеллекта в Исследовательском центре Эймса НАСА в Маунтин-Вью, штат Калифорния, и группе коллег, которые разработали контрольный тест, который работает как на классических, так и на квантовых устройствах. Таким образом, можно сравнить их производительность.

Более того, команда использовала новый тест, чтобы поставить Summit, самый мощный суперкомпьютер в мире, с его скоростью в 281 петафлопс. Результатом является точка отсчета, которую должны побить квантовые компьютеры, чтобы окончательно установить свое превосходство в рейтинге.

Найти хорошую меру квантовой вычислительной мощности - непростая задача. Для начала, компьютерные ученые давно знают, что квантовые компьютеры могут превзойти своих классических коллег только в ограниченном числе узкоспециализированных задач. И даже тогда, ни один квантовый компьютер в настоящее время не является достаточно мощным, чтобы выполнять какие-либо из них особенно хорошо, потому что, например, они не способны исправлять ошибки.

Поэтому Villalonga и компания искали гораздо более фундаментальный тест мощности квантовых вычислений, который одинаково хорошо работал бы для современных примитивных устройств и более совершенных завтрашних квантовых машин, а также мог бы быть смоделирован на классических машинах.

Их выбранная задача состоит в том, чтобы моделировать эволюцию квантового хаоса с использованием случайных квантовых цепей. Простые квантовые компьютеры могут сделать это, потому что процесс не требует мощного исправления ошибок и относительно просто отфильтровать результаты, которые были перегружены шумом.

Классическим машинам также просто моделировать квантовый хаос. Но классическая вычислительная мощность, необходимая для этого, возрастает экспоненциально с числом участвующих кубитов.

Два года назад физики определили, что квантовые компьютеры с по крайней мере 50 кубитами должны достичь квантового превосходства над классическим суперкомпьютером в то время.

Но цель постоянно движется, так как суперкомпьютеры модернизируются. Например, Summit способен значительно больше петафлопс сейчас, чем в последнем рейтинге в ноябре, когда он поднял чашу весов до 143 петафлопс. Действительно, на этой неделе Oak Ridge National Labs обнародовали планы по созданию машины с 1,5 exaflop к 2021 году. Поэтому возможность постоянно сравнивать эти машины с появляющимися квантовыми компьютерами становится все более важной.

Исследователи из НАСА и Google создали алгоритм qFlex, который имитирует случайные квантовые цепи на классической машине. В прошлом году они показали, что qFlex может моделировать и измерять производительность квантового компьютера Google под названием Bristlecone, который имеет 72 кубита . Для этого они использовали суперкомпьютер в НАСА в Эймсе с 20 петафлопсами с невероятной мощью.

Теперь они показали, что суперкомпьютер Summit может имитировать производительность гораздо большего квантового устройства. «На Summit нам удалось достичь стабильной производительности 281 пфлопс / с (одинарная точность) по всему суперкомпьютеру, имитируя схемы 49 и 121 кубит», - говорят они.

Эти 121 кубит выше возможностей любого существующего квантового компьютера. Таким образом, классические компьютеры остаются далеко впереди в рейтинге.

Но это гонка, которую им суждено проиграть. Уже есть планы по созданию квантовых компьютеров со 100+ кубитами в течение следующих нескольких лет. И поскольку квантовые возможности ускоряются, задача создания все более мощных классических машин уже сталкивается с буферами.

Ограничивающим фактором для новых машин является не аппаратное обеспечение, а доступная мощность, чтобы гудеть. Саммит машина уже требует 14-мегаваттного источника питания. Этого достаточно, чтобы осветить целый город среднего размера. «Для масштабирования такой системы в 10 раз потребовалось бы 140 МВт энергии, что было бы непомерно дорого», - говорят Вильялонга и другие.

В отличие от квантовых компьютеров экономны. Их основное энергопотребление - охлаждение сверхпроводящих компонентов. Таким образом, для 72-кубитового компьютера, такого как Bristlecone от Google, требуется около 14 кВт. «Даже по мере расширения системы кубитов эта сумма вряд ли существенно вырастет», - говорят Вильялонга и другие.

Таким образом, в рейтинге эффективности квантовым компьютерам суждено вытереть пол своими классическими коллегами раньше, чем позже.

Так или иначе, наступает квантовое превосходство. Если эту работу можно пройти, эталоном, который докажет, что это, вероятно, будет qFlex.

Источник: https://www.technologyreview.com/s/613507/the-new-benchmark-quantum-computers-must-beat-to-achieve-quantum-supremacy/


Comments 0