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スーパーコンピューターシミュレーションは、量子コンピューターの未来を垣間見ることができます
45キュービットのコンピューターでシミュレートできるタスクの例
コンピュータ科学者は、量子コンピュータが通常のコンピュータよりも強力になるポイントの名前を持っています。彼らはそれを量子超越性と呼んでおり、すべての説明によれば、その時は急速に近づいています。
現在の考えでは、49キュービットを処理できる量子コンピューターは、地球上で最も強力なスーパーコンピューターの機能と一致します。そして、それよりも大きいものは、通常のコンピューティングマシンの範囲を超えます。
それはまだ完全には不可能です。しかし、これらの量子コンピューターが期待どおりに機能するかどうかをどのように知ることができるかについて、重要な疑問が生じます。調べるために、コンピューター科学者は、強力な古典的なコンピューターを使用して、量子コンピューターの動作をシミュレートし始めました。
アイデアは、可能な限り正確に動作を調整およびベンチマークすることです。その後は、量子の世界を信頼する必要があります。
もちろん、49キュービットの量子コンピューターをシミュレートした人はまだいません。しかし本日、スイスのETHチューリッヒのThomasHanerとDamianSteigerは、これまでで最も野心的な試みを発表しました。
これらの人々は、世界で5番目に強力なスーパーコンピューターを使用して、45キュービットの量子コンピューターの動作をシミュレートしました。私たちの知る限り、これはシミュレートされたキュービットの最大数の新記録を構成している、とHanerとSteigerは言います。そして、それらは、より強力なシミュレーションがどのように可能であるかを示しています。
これらのシミュレーションは、量子コンピューターが可能にする計算の大きさのために困難です。この大きな力は、光子などの量子粒子が同時に複数の状態で存在することを可能にする重ね合わせの量子現象に由来します。
たとえば、水平偏光された光子は、 0 垂直偏光光子は 1 。しかし、光子が水平偏光と垂直偏光の両方の重ね合わせとして同時に存在する場合、それは両方を表すことができます 0 と 1 計算で。
このように、2つの光子は4つの数を表すことができ、3つの光子は8つの数を表すことができます。これは、量子コンピューターが計算能力を得る場所であり、それが古典的なコンピューターが比較して見劣りする理由です。
たとえば、50個のフォトンだけで10,000,000,000,000,000個の数値を表すことができます。従来のコンピュータでは、その数を格納するためにペタバイト規模のメモリが必要になります。
従来のコンピューターでこれらの数値を処理することは、さらに大きな作業です。これは、ほとんどのスーパーコンピューターが巨大なコンピューティングネットワークに接続された多くの処理装置で構成されているためです。その結果、これらのノードとの間のデータフローの管理は、通信のオーバーヘッドが大きくなります。
この課題により、シミュレーションのサイズが量子超越性の限界をはるかに下回るように制限されました。現在の世界記録は、2010年にユーリッヒのスーパーコンピューターで行われた42キュービットのシミュレーションです。それ以降、計算のオーバーヘッドの問題のため、ほとんど進展がありません。
これは、HanerとSteigerの仕事のおかげで変わりました。彼らのブレークスルーは、シミュレーションを以前よりも1桁以上速く実行できるように、オーバーヘッドを削減する方法を見つけることです。
研究者たちは、カリフォルニアのローレンスバークレー国立研究所にあるCoriIIスーパーコンピューターの一連のシミュレーションにこれらの改善を適用しました。このデバイスは9,304ノードで構成され、各ノードには1.4ギガヘルツで動作する68コアのIntel XeonPhiプロセッサ7250が含まれています。これにより、1ペタバイトのメモリで29.1ペタフロップスのピークパフォーマンスが得られます。
ノーベル医学賞を受賞した最初の女性であるGertyCoriにちなんで名付けられた、Cori IIは、地球上で5番目に強力なスーパーコンピューターです。したがって、計算馬力が不足することはありません。
HanerとSteigerはこのデバイスを使用して、量子コンピューターが30、36、42、および45キュービットを使用して計算を実行する方法をシミュレートしました。最大のシミュレーションでは、0.5ペタバイトのメモリと8,192ノードを使用し、0.428ペタフロップスのパフォーマンスを達成しました。
これは、チームが設計したスピードアップを使用しても、マシンの能力よりも大幅に低くなります。チームは、このパフォーマンスの低下を通信のオーバーヘッドに落とし込みましたが、それでも計算時間の75％を占めています。
HanerとSteigerは、結果を、同じくローレンスバークレーラボにあるエジソンと呼ばれるそれほど強力ではないスーパーコンピューターで実行される30キュービットおよび36キュービットのコンピューターのシミュレーションと比較しました。彼らは、彼らのアプローチもこれらの計算をスピードアップすることを発見しました。これは、得られたスピードアップが単に新世代のハードウェア（Cori II用）の結果ではなかったことを示しています、とHanerとSteigerは言います。
彼らは、この改善は、49キュービットコンピュータのシミュレーションが近い将来可能になるはずであることを示唆していると言います。
これは、将来の量子コンピューターへの道を開く興味深い仕事です。この研究からのデータは、量子超越性が最終的に達成されたときに物理学者が量子計算に自信を持つことを保証する上で重要な役割を果たします。そして、その日は確かにそれほど遠くない未来です。
参照： arxiv.org/abs/1704.01127 ：45量子ビット量子回路の0.5ペタバイトシミュレーション