Quando dois pesquisadores do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH Zurique) anunciaram em abril que haviam simulado com sucesso um circuito quântico de 45 qubit, a comunidade científica percebeu:foi a maior simulação de um computador quântico já feita, e outro passo mais perto de simular a "supremacia quântica" - o ponto em que os computadores quânticos se tornam mais poderosos do que os computadores comuns.

Os cálculos foram realizados no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um DOE Office of Science User Facility no Lawrence Berkeley National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA. Pesquisadores Thomas Häner e Damien Steiger, ambos Ph.D. alunos da ETH, usado 8, 192 de 9, 688 Processadores Intel Xeon Phi no mais novo supercomputador da NERSC, Cori, para apoiar esta simulação, o maior de uma série que eles dirigiram no NERSC para o projeto.

A "computação quântica" tem sido objeto de pesquisas dedicadas por décadas, e com um bom motivo:os computadores quânticos têm o potencial de quebrar técnicas comuns de criptografia e simular sistemas quânticos em uma fração do tempo que levariam nos computadores "clássicos" atuais. Eles fazem isso aproveitando os estados quânticos das partículas para armazenar informações em qubits (bits quânticos), uma unidade de informação quântica semelhante a um bit regular na computação clássica. Melhor ainda, Os qubits têm um poder secreto:eles podem realizar mais de um cálculo ao mesmo tempo. Um qubit pode realizar dois cálculos em uma superposição quântica, dois podem realizar quatro, três oito, e assim por diante, com um aumento exponencial correspondente no paralelismo quântico. No entanto, controlar esse paralelismo quântico é difícil, já que observar o estado quântico faz com que o sistema entre em colapso para apenas uma resposta.

Então, o quão perto estamos de realizar um verdadeiro protótipo funcional? Em geral, acredita-se que um computador quântico implantando 49 qubits - uma unidade de informação quântica - será capaz de se equiparar ao poder de computação dos supercomputadores mais poderosos de hoje. Para este fim, As simulações de Häner e Steiger ajudarão no benchmarking e na calibração de computadores quânticos de curto prazo, realizando experimentos de supremacia quântica com esses primeiros dispositivos e comparando-os com seus resultados de simulação. Enquanto isso, estamos vendo um aumento nos investimentos em tecnologia de computação quântica de empresas como o Google, IBM e outras empresas líderes de tecnologia - até mesmo a Volkswagen - que poderiam acelerar drasticamente o processo de desenvolvimento.

Simulação e emulação de computadores quânticos

Tanto a emulação quanto a simulação são importantes para calibrar, validando e comparando hardware e arquiteturas emergentes de computação quântica. Em um artigo apresentado na SC16, Häner e Steiger escreveram:"Embora os computadores quânticos de grande escala ainda não estejam disponíveis, seu desempenho pode ser inferido usando estruturas de compilação quântica e estimativas de especificações de hardware em potencial. Contudo, sem testar e depurar programas quânticos em problemas de pequena escala, sua correção não pode ser tomada como certa. Simuladores e emuladores… são essenciais para atender a essa necessidade. "

Esse artigo discutiu a emulação de circuitos quânticos - uma representação comum de programas quânticos - enquanto o artigo de 45 qubit se concentra na simulação de circuitos quânticos. A emulação só é possível para certos tipos de sub-rotinas quânticas, enquanto a simulação de circuitos quânticos é um método geral que também permite a inclusão dos efeitos do ruído. Essas simulações podem ser muito desafiadoras, mesmo nos supercomputadores mais rápidos de hoje, Häner e Steiger explicaram. Para a simulação de 45 qubit, por exemplo, eles usaram a maior parte da memória disponível em cada um dos 8, 192 nós. "Isso aumenta a probabilidade de falha do nó significativamente, e não poderíamos esperar funcionar com o sistema completo por mais de uma hora sem falhas, "Eles disseram." Portanto, tivemos que reduzir o tempo de solução em todas as escalas (nível de nó, bem como nível de cluster) para realizar esta simulação. "

Otimizar o simulador de circuito quântico foi fundamental. Häner e Steiger empregaram geração automática de código, otimizou os núcleos de computação e aplicou um algoritmo de escalonamento aos circuitos de supremacia quântica, reduzindo assim a comunicação necessária entre nós. Durante o processo de otimização, eles trabalharam com a equipe do NERSC e usaram o modelo Roofline do Berkeley Lab para identificar áreas potenciais onde o desempenho poderia ser aprimorado.

Além da simulação de 45 qubit, que usou 0,5 petabytes de memória no Cori e alcançou um desempenho de 0,428 petaflops, eles também simularam 30-, Circuitos quânticos de 36 e 42 qubit. Quando eles compararam os resultados com simulações de circuitos de 30 e 36 qubit executados no sistema Edison da NERSC, eles descobriram que as simulações de Edison também rodaram mais rápido.

"Nossas otimizações melhoraram o desempenho - o número de operações de ponto flutuante por vez - em 10x para Edison e entre 10x e 20x para Cori (dependendo do circuito a simular e do tamanho por nó), "Häner e Steiger disseram." O tempo para solução diminuiu em mais de 12x quando comparado aos tempos de uma simulação semelhante relatada em um artigo recente sobre supremacia quântica por Boixo e colaboradores, o que tornou possível a simulação de 45 qubit. "

Olhando para a frente, a dupla está interessada em realizar mais simulações de circuitos quânticos no NERSC para determinar o desempenho de computadores quânticos de curto prazo resolvendo problemas de química quântica. Eles também esperam usar drives de estado sólido para armazenar funções de onda maiores e, assim, tentar simular ainda mais qubits.