La simulazione del supercomputer offre uno sguardo al futuro dei computer quantistici

Un esempio del tipo di attività che può essere simulata su un computer a 45 qubit

Gli informatici hanno un nome per il punto in cui i computer quantistici diventano più potenti dei computer ordinari. Lo chiamano supremazia quantistica e, a detta di tutti, quel tempo si sta avvicinando rapidamente.

Il pensiero attuale è che un computer quantistico in grado di gestire 49 qubit abbinerà le capacità del supercomputer più potente del pianeta. E qualsiasi cosa più grande di quella sarà al di là della comprensione delle normali macchine informatiche.

Non è ancora del tutto possibile. Ma solleva importanti domande su come possiamo sapere se questi computer quantistici funzioneranno come previsto. Per scoprirlo, gli informatici hanno iniziato a utilizzare potenti computer classici per simulare il comportamento dei computer quantistici.

L'idea è di calibrare e confrontare il loro comportamento nel modo più accurato possibile, finché possiamo ancora. Dopodiché, dovremo solo fidarci del mondo quantistico.

Naturalmente, nessuno ha ancora simulato un computer quantistico a 49 qubit. Ma oggi Thomas Haner e Damian Steiger dell'ETH di Zurigo in Svizzera annunciano il tentativo più ambizioso fino ad oggi.

Questi ragazzi hanno utilizzato il quinto supercomputer più potente al mondo per simulare il comportamento di un computer quantistico a 45 qubit. A nostra conoscenza, questo costituisce un nuovo record nel numero massimo di qubit simulati, affermano Haner e Steiger. E mostrano come dovrebbero essere possibili simulazioni più potenti.

Queste simulazioni sono difficili a causa della vastità dei calcoli che i computer quantistici rendono possibili. Questo grande potere deriva dal fenomeno quantistico della sovrapposizione, che consente alle particelle quantistiche, come i fotoni, di esistere in più di uno stato contemporaneamente.

Ad esempio, un fotone polarizzato orizzontalmente può rappresentare a 0 e un fotone polarizzato verticalmente può rappresentare a uno . Ma quando un fotone esiste contemporaneamente come sovrapposizione di polarizzazioni orizzontali e verticali, può rappresentare sia una 0 e uno in un calcolo.

In questo modo, due fotoni possono rappresentare quattro numeri, tre fotoni possono rappresentare otto numeri e così via. È qui che i computer quantistici ottengono la loro potenza computazionale, ed è per questo che i computer classici impallidiscono al confronto.

Ad esempio, solo 50 fotoni possono rappresentare 10.000.000.000.000.000 di numeri. Un computer classico richiederebbe una memoria su scala petabyte per memorizzarne così tanti.

L'elaborazione di questi numeri su un computer classico è un compito ancora più grande. Questo perché la maggior parte dei supercomputer è composta da molte unità di elaborazione collegate in una gigantesca rete informatica. Di conseguenza, la gestione del flusso di dati da e verso questi nodi rappresenta un sovraccarico di comunicazione significativo.

Questa sfida ha limitato la dimensione delle simulazioni ben al di sotto del limite di supremazia quantistica. L'attuale record mondiale è una simulazione di 42 qubit, lavoro svolto sul supercomputer Julich nel 2010. Da allora sono stati fatti pochi progressi a causa dei problemi con i costi di calcolo.

Ora le cose sono cambiate grazie al lavoro di Haner e Steiger. La loro svolta è trovare modi per ridurre il sovraccarico in modo che la simulazione possa essere eseguita più di un ordine di grandezza più velocemente di prima.

I ricercatori hanno applicato questi miglioramenti a una serie di simulazioni sul supercomputer Cori II presso il Lawrence Berkeley National Laboratory in California. Questo dispositivo è composto da 9.304 nodi, ciascuno contenente un processore Intel Xeon Phi 7250 a 68 core in esecuzione a 1,4 gigahertz. Ciò porta a un picco di prestazioni di 29,1 petaflop con un petabyte di memoria.

Prende il nome da Gerty Cori, la prima donna a vincere un premio Nobel per la medicina, il Cori II è il quinto supercomputer più potente del pianeta. Quindi non è a corto di potenza computazionale.

Haner e Steiger hanno utilizzato questo dispositivo per simulare il modo in cui un computer quantistico eseguirebbe i calcoli utilizzando 30, 36, 42 e 45 qubit. Per la simulazione più grande, hanno utilizzato 0,5 petabyte di memoria e 8.192 nodi, ottenendo una performance di 0,428 petaflop.

È molto meno di quanto la macchina sia in grado di fare, anche con gli acceleratori progettati dal team. Il team ha attribuito questa perdita di prestazioni al sovraccarico di comunicazione, che richiede ancora il 75% del tempo di calcolo.

Haner e Steiger hanno confrontato i risultati con simulazioni di computer a 30 e 36 qubit eseguiti su un supercomputer meno potente chiamato Edison, sempre al Lawrence Berkeley Lab. Hanno scoperto che il loro approccio ha anche accelerato questi calcoli. Ciò indica che gli incrementi di velocità ottenuti non erano semplicemente una conseguenza di una nuova generazione di hardware [per Cori II], affermano Haner e Steiger.

Dicono che questo miglioramento suggerisca che la simulazione di un computer a 49 qubit dovrebbe essere possibile nel prossimo futuro.

È un lavoro interessante che apre la strada ai futuri computer quantistici. I dati di questo lavoro svolgeranno un ruolo importante nell'assicurare che i fisici abbiano fiducia nei calcoli quantistici una volta raggiunta la supremazia quantistica. E quel giorno non è sicuramente troppo lontano nel futuro.

Rif: arxiv.org/abs/1704.01127 : Simulazione da 0,5 Petabyte di un circuito quantistico a 45 Qubit

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