Cuando dos investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH Zurich) anunciaron en abril que habían simulado con éxito un circuito cuántico de 45 qubit, la comunidad científica se dio cuenta:era la simulación más grande jamás realizada de una computadora cuántica, y otro paso más hacia la simulación de la "supremacía cuántica", el punto en el que las computadoras cuánticas se vuelven más poderosas que las computadoras ordinarias.

Los cálculos se realizaron en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Los investigadores Thomas Häner y Damien Steiger, ambos Ph.D. estudiantes de ETH, usado 8, 192 de 9, 688 procesadores Intel Xeon Phi en la supercomputadora más nueva de NERSC, Cori, para apoyar esta simulación, el más grande de una serie que ejecutaron en NERSC para el proyecto.

La "computación cuántica" ha sido objeto de investigación dedicada durante décadas, y con razón:las computadoras cuánticas tienen el potencial de romper las técnicas de criptografía comunes y simular sistemas cuánticos en una fracción del tiempo que tomarían las computadoras "clásicas" actuales. Lo hacen aprovechando los estados cuánticos de las partículas para almacenar información en qubits (bits cuánticos), una unidad de información cuántica similar a un bit regular en la computación clásica. Mejor todavía, Los qubits tienen un poder secreto:pueden realizar más de un cálculo a la vez. Un qubit puede realizar dos cálculos en una superposición cuántica, dos pueden realizar cuatro, tres ocho, Etcétera, con un aumento exponencial correspondiente en el paralelismo cuántico. Sin embargo, aprovechar este paralelismo cuántico es difícil, ya que la observación del estado cuántico hace que el sistema colapse a una sola respuesta.

Entonces, ¿qué tan cerca estamos de realizar un verdadero prototipo funcional? En general, se piensa que una computadora cuántica que despliegue 49 qubits, una unidad de información cuántica, podrá igualar la potencia de cálculo de las supercomputadoras más poderosas de la actualidad. Hacia este final, Las simulaciones de Häner y Steiger ayudarán a comparar y calibrar las computadoras cuánticas a corto plazo al realizar experimentos de supremacía cuántica con estos primeros dispositivos y compararlos con sus resultados de simulación. Mientras tanto, estamos viendo un aumento en las inversiones en tecnología de computación cuántica de empresas como Google, IBM y otras empresas tecnológicas líderes, incluso Volkswagen, que podrían acelerar drásticamente el proceso de desarrollo.

Simulación y Emulación de Computadoras Cuánticas

Tanto la emulación como la simulación son importantes para calibrar, Validación y evaluación comparativa de arquitecturas y hardware de computación cuántica emergentes. En un artículo presentado en SC16, Häner y Steiger escribieron:"Si bien las computadoras cuánticas a gran escala aún no están disponibles, su rendimiento se puede inferir utilizando marcos de compilación cuántica y estimaciones de posibles especificaciones de hardware. Sin embargo, sin probar y depurar programas cuánticos en problemas a pequeña escala, su exactitud no puede darse por sentada. Los simuladores y emuladores ... son esenciales para abordar esta necesidad ".

Ese artículo discutió la emulación de circuitos cuánticos, una representación común de los programas cuánticos, mientras que el artículo de 45 qubits se centra en la simulación de circuitos cuánticos. La emulación solo es posible para ciertos tipos de subrutinas cuánticas, mientras que la simulación de circuitos cuánticos es un método general que también permite la inclusión de los efectos del ruido. Tales simulaciones pueden ser muy desafiantes incluso en las supercomputadoras más rápidas de la actualidad, Häner y Steiger explicaron. Para la simulación de 45 qubit, por ejemplo, utilizaron la mayor parte de la memoria disponible en cada uno de los 8, 192 nodos. "Esto aumenta significativamente la probabilidad de falla del nodo, y no podíamos esperar ejecutar el sistema completo durante más de una hora sin fallas, ", dijeron." Por lo tanto, tuvimos que reducir el tiempo de solución en todas las escalas (tanto a nivel de nodo como a nivel de clúster) para lograr esta simulación ".

La optimización del simulador de circuitos cuánticos fue clave. Häner y Steiger emplearon la generación automática de código, optimizó los núcleos de cálculo y aplicó un algoritmo de programación a los circuitos de supremacía cuántica, reduciendo así la comunicación requerida de nodo a nodo. Durante el proceso de optimización, trabajaron con el personal de NERSC y utilizaron el modelo Roofline de Berkeley Lab para identificar áreas potenciales en las que se podría mejorar el rendimiento.

Además de la simulación de 45 qubit, que usó 0.5 petabytes de memoria en Cori y logró un rendimiento de 0.428 petaflops, también simularon 30-, Circuitos cuánticos de 36 y 42 qubit. Cuando compararon los resultados con simulaciones de circuitos de 30 y 36 qubit ejecutados en el sistema Edison de NERSC, encontraron que las simulaciones de Edison también se ejecutaron más rápido.

"Nuestras optimizaciones mejoraron el rendimiento, la cantidad de operaciones de punto flotante por tiempo, en 10 veces para Edison y entre 10 y 20 veces para Cori (según el circuito a simular y el tamaño por nodo), "Häner y Steiger dijeron." El tiempo de solución se redujo en más de 12 veces en comparación con los tiempos de una simulación similar informada en un artículo reciente sobre la supremacía cuántica de Boixo y sus colaboradores, lo que hizo posible la simulación de 45 qubit ".

Mirando hacia el futuro, el dúo está interesado en realizar más simulaciones de circuitos cuánticos en NERSC para determinar el rendimiento de computadoras cuánticas a corto plazo que resuelven problemas de química cuántica. También esperan usar unidades de estado sólido para almacenar funciones de onda más grandes y así intentar simular aún más qubits.