Quando due ricercatori del Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurigo) hanno annunciato ad aprile di aver simulato con successo un circuito quantistico da 45 qubit, la comunità scientifica se ne accorse:era la più grande simulazione mai realizzata di un computer quantistico, e un altro passo avanti verso la simulazione della "supremazia quantistica", il punto in cui i computer quantistici diventano più potenti dei computer ordinari.

I calcoli sono stati eseguiti presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), un DOE Office of Science User Facility presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. I ricercatori Thomas Häner e Damien Steiger, entrambi Ph.D. studenti dell'ETH, usato 8, 192 di 9, 688 processori Intel Xeon Phi sul nuovissimo supercomputer NERSC, Cori, per supportare questa simulazione, il più grande di una serie che hanno eseguito al NERSC per il progetto.

Il "Quantum Computing" è stato oggetto di ricerche dedicate per decenni, e con una buona ragione:i computer quantistici hanno il potenziale per rompere le comuni tecniche di crittografia e simulare i sistemi quantistici in una frazione del tempo che impiegherebbero gli attuali computer "classici". Lo fanno sfruttando gli stati quantistici delle particelle per memorizzare le informazioni in qubit (bit quantistici), un'unità di informazione quantistica simile a un bit normale nell'informatica classica. Meglio ancora, i qubit hanno un potere segreto:possono eseguire più di un calcolo alla volta. Un qubit può eseguire due calcoli in una sovrapposizione quantistica, due possono eseguire quattro, tre otto, e così via, con un corrispondente aumento esponenziale del parallelismo quantistico. Eppure sfruttare questo parallelismo quantistico è difficile, poiché l'osservazione dello stato quantistico fa collassare il sistema a una sola risposta.

Quindi quanto siamo vicini alla realizzazione di un vero prototipo funzionante? Generalmente si pensa che un computer quantistico che distribuisce 49 qubit, un'unità di informazione quantistica, sarà in grado di eguagliare la potenza di calcolo dei supercomputer più potenti di oggi. A tal fine, Le simulazioni di Häner e Steiger aiuteranno nel benchmarking e nella calibrazione dei computer quantistici a breve termine eseguendo esperimenti di supremazia quantistica con questi primi dispositivi e confrontandoli con i risultati della simulazione. Intanto, stiamo assistendo a un'impennata degli investimenti nella tecnologia di calcolo quantistico da parte di aziende come Google, IBM e altre aziende tecnologiche leader, persino Volkswagen, che potrebbero accelerare notevolmente il processo di sviluppo.

Simulazione ed emulazione di computer quantistici

Sia l'emulazione che la simulazione sono importanti per la calibrazione, convalida e benchmarking di hardware e architetture emergenti di quantum computing. In un documento presentato a SC16, Häner e Steiger hanno scritto:"Anche se i computer quantistici su larga scala non sono ancora disponibili, le loro prestazioni possono essere dedotte utilizzando framework di compilazione quantistica e stime di potenziali specifiche hardware. Però, senza testare e eseguire il debug di programmi quantistici su problemi su piccola scala, la loro correttezza non può essere data per scontata. Simulatori ed emulatori... sono essenziali per rispondere a questa esigenza."

Quel documento discuteva l'emulazione dei circuiti quantistici, una rappresentazione comune dei programmi quantistici, mentre il documento da 45 qubit si concentrava sulla simulazione dei circuiti quantistici. L'emulazione è possibile solo per alcuni tipi di subroutine quantistiche, mentre la simulazione dei circuiti quantistici è un metodo generale che permette anche di includere gli effetti del rumore. Tali simulazioni possono essere molto impegnative anche sui supercomputer più veloci di oggi, Häner e Steiger hanno spiegato. Per la simulazione a 45 qubit, Per esempio, hanno utilizzato la maggior parte della memoria disponibile su ciascuno degli 8, 192 nodi. "Ciò aumenta significativamente la probabilità di guasto del nodo, e non potevamo aspettarci di funzionare sull'intero sistema per più di un'ora senza guasti, " hanno detto. "Abbiamo quindi dovuto ridurre il tempo per la soluzione a tutte le scale (a livello di nodo e a livello di cluster) per ottenere questa simulazione".

L'ottimizzazione del simulatore di circuiti quantistici è stata fondamentale. Häner e Steiger hanno utilizzato la generazione automatica del codice, ottimizzato i kernel di calcolo e applicato un algoritmo di schedulazione ai circuiti di supremazia quantistica, riducendo così la necessaria comunicazione da nodo a nodo. Durante il processo di ottimizzazione hanno lavorato con il personale NERSC e hanno utilizzato il modello Roofline di Berkeley Lab per identificare potenziali aree in cui le prestazioni potrebbero essere migliorate.

Oltre alla simulazione a 45 qubit, che ha utilizzato 0,5 petabyte di memoria su Cori e ha raggiunto una performance di 0,428 petaflop, hanno anche simulato 30-, Circuiti quantistici a 36 e 42 qubit. Quando hanno confrontato i risultati con simulazioni di circuiti da 30 e 36 qubit eseguiti sul sistema Edison di NERSC, hanno scoperto che anche le simulazioni di Edison erano più veloci.

"Le nostre ottimizzazioni hanno migliorato le prestazioni - il numero di operazioni in virgola mobile per volta - di 10 volte per Edison e tra 10 volte e 20 volte per Cori (a seconda del circuito da simulare e delle dimensioni per nodo), "Häner e Steiger hanno affermato. "Il tempo per la soluzione è diminuito di oltre 12 volte rispetto ai tempi di una simulazione simile riportati in un recente documento sulla supremazia quantistica di Boixo e collaboratori, che ha reso possibile la simulazione a 45 qubit."

Guardando avanti, il duo è interessato a eseguire più simulazioni di circuiti quantistici al NERSC per determinare le prestazioni dei computer quantistici a breve termine che risolvono problemi di chimica quantistica. Sperano anche di utilizzare unità a stato solido per memorizzare funzioni d'onda più grandi e quindi provare a simulare ancora più qubit.