Jaunajiem kvantu datoriem ir jāpārspēj, lai sasniegtu kvantu pārākumu

IBM izpēte; OLCF pie ORNL | FLickr

Divas reizes gadā TOP500 projekts publicē pasaules jaudīgāko datoru reitingu. Saraksts ir ar nepacietību gaidīts un ļoti ietekmīgs. Pasaules lielvaras sacenšas, lai dominētu reitingos, un šī raksta tapšanas laikā Ķīna ir vislielākā — sarakstā ir 229 ierīces.

ASV ir tikai 121, bet tas ietver pasaulē jaudīgāko: Summit superdatoru Oak Ridge Nacionālajā laboratorijā Tenesī, kura pulkstenis bija 143 petaflopi (143 tūkstoši miljoni peldošā komata operāciju sekundē).

Reitingu nosaka etalonuzdevumu programma Linpack, kas ir Fortran apakšprogrammu kolekcija, kas atrisina virkni lineāru vienādojumu. Laiks, kas nepieciešams, lai atrisinātu vienādojumus, ir datora ātruma mērs.

Saistīts stāsts

Lasiet vairāk par šo tēmu

Kā tas darbojas, kāpēc tas ir tik spēcīgs un kur tas, visticamāk, būs visnoderīgākais

Par šo etalona izvēli strīdu netrūkst. Datoru arhitektūras parasti ir optimizētas konkrētu problēmu risināšanai, un daudzas no tām ļoti atšķiras no Linpack izaicinājuma. Piemēram, kvantu datori nav pilnībā piemēroti šāda veida problēmu risināšanai.

Un tas rada svarīgu jautājumu. Kvantu datori ir uz robežas, lai noteiktu problēmu gadījumā pārspētu jaudīgākos superdatorus, bet cik tieši tie ir spēcīgi? Jautājums ir par to, kā izmērīt to veiktspēju un salīdzināt to ar klasisko datoru veiktspēju.

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Benjamin Villalonga darbam Kvantu mākslīgā intelekta laboratorijā NASA Eimsas pētniecības centrā Mountain View, Kalifornijā, un kolēģu grupai, kas ir izstrādājuši salīdzinošās novērtēšanas testu, kas darbojas gan klasiskajās, gan kvantu ierīcēs. Tādā veidā ir iespējams salīdzināt to sniegumu.

Turklāt komanda ir izmantojusi jauno testu, lai Summit, pasaulē jaudīgākais superdators, sasniegtu 281 petaflopa ātrumu. Rezultāts ir etalons, kas kvantu datoriem jāpārspēj, lai beidzot nostiprinātu savu pārākumu reitingā.

Laba kvantu skaitļošanas jaudas mēra atrašana nav viegls uzdevums. Sākumā datorzinātnieki jau sen ir zinājuši, ka kvantu datori var pārspēt savus klasiskos kolēģus tikai ierobežotā skaitā ļoti specializētu uzdevumu. Un pat tad neviens kvantu dators pašlaik nav pietiekami jaudīgs, lai kādu no tiem veiktu īpaši labi, jo, piemēram, tie nav spējīgi labot kļūdas.

Tāpēc Villalonga un co meklēja daudz fundamentālāku kvantu skaitļošanas jaudas testu, kas vienlīdz labi darbotos gan mūsdienu primitīvajās ierīcēs, gan rītdienas progresīvākās kvantu mašīnās un ko varētu simulēt arī klasiskajās iekārtās.

Viņu izvēlētā problēma ir simulēt kvantu haosa evolūciju, izmantojot nejaušas kvantu shēmas. Vienkārši kvantu datori to var izdarīt, jo procesam nav nepieciešama spēcīga kļūdu labošana, un ir samērā vienkārši filtrēt rezultātus, kurus ir pārņēmis troksnis.

Klasiskajām mašīnām ir arī vienkārši simulēt kvantu haosu. Bet klasiskā skaitļošanas jauda, ​​kas nepieciešama, lai to izdarītu, pieaug eksponenciāli līdz ar iesaistīto kubitu skaitu.

Pirms diviem gadiem fiziķi noteica, ka kvantu datoriem ar vismaz 50 kubitiem tajā laikā vajadzētu sasniegt kvantu pārākumu pār klasisko superdatoru.

Taču vārtu stabi nepārtraukti pārvietojas, jo tiek uzlaboti superdatori. Piemēram, Summit šobrīd spēj iegūt ievērojami vairāk petaflopu nekā iepriekšējā reitingā novembrī, kad tas nosvēra svaru 143 petaflopus. Patiešām, Oak Ridge National Labs šonedēļ atklāja plānus līdz 2021. gadam izveidot 1,5 eksaflopa iekārtu. Tāpēc arvien svarīgāka kļūst iespēja pastāvīgi salīdzināt šīs iekārtas ar jaunajiem kvantu datoriem.

NASA un Google pētnieki ir izveidojuši algoritmu ar nosaukumu qFlex, kas simulē nejaušas kvantu shēmas klasiskajā mašīnā. Pagājušajā gadā viņi parādīja, ka qFlex var simulēt un salīdzināt Google kvantu datora Bristlecone veiktspēju, kam ir 72 kubiti. Lai to izdarītu, NASA Eimsā viņi izmantoja superdatoru ar 20 petaflopu jaudu.

Tagad viņi ir parādījuši, ka Summit superdators var simulēt daudz lielākas kvantu ierīces veiktspēju. Samitā mēs spējām sasniegt noturīgu veiktspēju 281 Pflop/s (vienreizēja precizitāte) visā superdatorā, simulējot 49 un 121 kubitu ķēdes, viņi saka.

Šis 121 kubits pārsniedz jebkura esošā kvantu datora iespējas. Tātad klasiskie datori reitingā joprojām ir par mata tiesu priekšā.

Bet šīs ir sacensības, kuras viņiem ir lemts zaudēt. Jau tiek plānots tuvāko gadu laikā izveidot kvantu datorus ar 100+ kubitiem. Un, pieaugot kvantu iespējām, izaicinājums izveidot arvien jaudīgākas klasiskās iekārtas jau saskaras ar buferiem.

Ierobežojošais faktors jaunām mašīnām vairs nav aparatūra, bet gan pieejamā jauda, ​​lai tās turpinātu dungot. Summit mašīnai jau ir nepieciešams 14 megavatu barošanas avots. Tas ir pietiekami, lai apgaismotu visu vidēja lieluma pilsētu. Lai šādu sistēmu palielinātu par 10x, būtu nepieciešami 140 MW jaudas, kas būtu pārmērīgi dārgi, saka Villalonga un citi.

Turpretim kvantu datori ir taupīgi. To galvenā jaudas prasība ir supravadošo komponentu dzesēšana. Tātad 72 kubitu datoram, piemēram, Google Bristlecone, ir nepieciešami aptuveni 14 kW. Pat tad, kad kubitu sistēmas palielinās, maz ticams, ka šī summa būtiski pieaugs, saka Villalonga un citi.

Tātad efektivitātes reitingos kvantu datoriem ir lemts ātrāk nekā vēlāk noslaucīt grīdu ar saviem klasiskajiem kolēģiem.

Tā vai citādi tuvojas kvantu pārākums. Ja šis darbs ir kaut kas atbilstošs, etalons, kas to pierādīs, visticamāk, būs qFlex.

Atsauce: arxiv.org/abs/1905.00444 : Kvantu pārākuma robežas noteikšana ar 281 Pflop/s simulāciju

paslēpties