I nuovi computer quantistici di riferimento devono battere per raggiungere la supremazia quantistica

IBM ricerca; OLCF presso ORNL | Flickr

Due volte all'anno, il progetto TOP500 pubblica una classifica dei computer più potenti del mondo. L'elenco è molto atteso e molto influente. Le superpotenze globali competono per dominare le classifiche e, al momento in cui scriviamo, la Cina è la più grande, con 229 dispositivi nell'elenco.

Gli Stati Uniti ne hanno solo 121, ma questo include il più potente del mondo: il supercomputer Summit dell'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee, che ha avuto un clock di 143 petaflop (143 miliardi di milioni di operazioni in virgola mobile al secondo).

La classifica è determinata da un programma di benchmarking chiamato Linpack, che è una raccolta di subroutine Fortran che risolvono una serie di equazioni lineari. Il tempo impiegato per risolvere le equazioni è una misura della velocità del computer.

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Non mancano le polemiche su questa scelta del benchmark. Le architetture dei computer sono generalmente ottimizzate per risolvere problemi specifici e molti di questi sono molto diversi dalla sfida Linpack. I computer quantistici, ad esempio, sono del tutto inadatti a risolvere questo tipo di problemi.

E questo solleva una domanda importante. I computer quantistici sono sul punto di superare i supercomputer più potenti per determinati tipi di problemi, ma esattamente quanto sono potenti? In discussione è la questione di come misurare le loro prestazioni e confrontarle con quelle dei computer classici.

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Benjamin Villalonga presso il Quantum Artificial Intelligence Lab presso il NASA Ames Research Center di Mountain View, in California, e un gruppo di colleghi che hanno sviluppato un test di benchmarking che funziona sia su dispositivi classici che quantistici. In questo modo è possibile confrontare le loro prestazioni.

Inoltre, il team ha utilizzato il nuovo test per mettere alla prova il Summit, il supercomputer più potente del mondo, a 281 petaflop. Il risultato è il benchmark che i computer quantistici devono battere per stabilire finalmente la loro supremazia nelle classifiche.

Trovare una buona misura della potenza di calcolo quantistico non è un compito facile. Tanto per cominciare, gli informatici sanno da tempo che i computer quantistici possono superare le loro controparti classiche solo in un numero limitato di compiti altamente specializzati. E anche allora, nessun computer quantistico è attualmente abbastanza potente per eseguirli particolarmente bene perché, ad esempio, non sono in grado di correggere gli errori.

Quindi Villalonga e colleghi hanno cercato un test molto più fondamentale della potenza di calcolo quantistico che funzionasse ugualmente bene per i dispositivi primitivi di oggi e per le macchine quantistiche più avanzate di domani e potesse anche essere simulato su macchine classiche.

Il loro problema scelto è simulare l'evoluzione del caos quantistico usando circuiti quantistici casuali. I computer quantistici semplici possono farlo perché il processo non richiede una potente correzione degli errori ed è relativamente semplice filtrare i risultati che sono stati sopraffatti dal rumore.

È anche semplice per le macchine classiche simulare il caos quantistico. Ma la classica potenza di calcolo richiesta per farlo aumenta esponenzialmente con il numero di qubit coinvolti.

Due anni fa, i fisici hanno stabilito che i computer quantistici con almeno 50 qubit dovrebbero raggiungere la supremazia quantistica su un supercomputer classico in quel momento.

Ma i pali della porta si muovono costantemente mentre i supercomputer vengono aggiornati. Ad esempio, Summit è in grado di ottenere molti più petaflop ora rispetto all'ultima classifica di novembre, quando ha ribaltato la bilancia a 143 petaflop. In effetti, questa settimana gli Oak Ridge National Labs hanno svelato i piani per costruire una macchina da 1,5 exaflop entro il 2021. Quindi essere in grado di confrontare continuamente queste macchine con i computer quantistici emergenti è sempre più importante.

I ricercatori della NASA e di Google hanno creato un algoritmo chiamato qFlex che simula circuiti quantistici casuali su una macchina classica. L'anno scorso, hanno dimostrato che qFlex potrebbe simulare e confrontare le prestazioni di un computer quantistico di Google chiamato Bristlecone, che ha 72 qubit. Per fare ciò, hanno utilizzato un supercomputer della NASA Ames con 20 petaflop di potenza per sgranocchiare i numeri.

Ora hanno dimostrato che il supercomputer Summit può simulare le prestazioni di un dispositivo quantistico molto più grande. Su Summit, siamo stati in grado di ottenere prestazioni sostenute di 281 Pflop/s (precisione singola) sull'intero supercomputer, simulando circuiti di 49 e 121 qubit, dicono.

Questi 121 qubit sono oltre la capacità di qualsiasi computer quantistico esistente. Quindi i computer classici rimangono un soffio avanti nelle classifiche.

Ma questa è una gara che sono destinati a perdere. Sono già in corso piani per costruire computer quantistici con oltre 100 qubit entro i prossimi anni. E con l'accelerazione delle capacità quantistiche, la sfida di costruire macchine classiche sempre più potenti si sta già scontrando con i buffer.

Il fattore limitante per le nuove macchine non è più l'hardware ma la potenza disponibile per mantenerle ronzanti. La macchina Summit richiede già un'alimentazione da 14 megawatt. È abbastanza per illuminare un'intera città di medie dimensioni. Ridimensionare un tale sistema di 10 volte richiederebbe 140 MW di potenza, il che sarebbe proibitivo, affermano Villalonga e co.

Al contrario, i computer quantistici sono frugali. Il loro principale requisito di alimentazione è il raffreddamento per i componenti superconduttori. Quindi un computer a 72 qubit come il Bristlecone di Google, ad esempio, richiede circa 14 kw. Anche se i sistemi qubit aumentano, è improbabile che questo importo cresca in modo significativo, affermano Villalonga e co.

Quindi, nelle classifiche di efficienza, i computer quantistici sono destinati a spazzare via il pavimento con le loro controparti classiche prima piuttosto che dopo.

In un modo o nell'altro, la supremazia quantistica sta arrivando. Se questo lavoro è qualcosa su cui basarsi, è probabile che il benchmark che lo dimostrerà sarà qFlex.

Rif: arxiv.org/abs/1905.00444 : Stabilire la frontiera della supremazia quantistica con una simulazione di 281 Pflop/s

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