De nye benchmark kvantecomputere skal slå for at opnå kvanteoverherredømme

IBM Research; OLCF hos ORNL | FLickr

To gange om året udgiver TOP500-projektet en rangering af verdens mest kraftfulde computere. Listen er ventet med spænding og enormt indflydelsesrig. Globale supermagter konkurrerer om at dominere ranglisten, og i skrivende stund truer Kina størst med 229 enheder på listen.

USA har kun 121, men dette inkluderer verdens mest kraftfulde: Summit-supercomputeren ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, som blev klokket til 143 petaflops (143 tusind millioner millioner flydende kommaoperationer i sekundet).

Rangeringen bestemmes af et benchmarking-program kaldet Linpack, som er en samling Fortran-underrutiner, der løser en række lineære ligninger. Den tid, det tager at løse ligningerne, er et mål for computerens hastighed.

Relateret historie

Læs mere om dette emne

Hvordan det virker, hvorfor det er så kraftfuldt, og hvor det sandsynligvis vil være mest nyttigt først

Der er ingen mangel på uenighed om dette valg af benchmark. Computerarkitekturer er normalt optimeret til at løse specifikke problemer, og mange af disse er meget forskellige fra Linpack-udfordringen. Kvantecomputere er for eksempel fuldstændig uegnede til at løse den slags problemer.

Og det rejser et vigtigt spørgsmål. Kvantecomputere er på grænsen til at overgå de mest kraftfulde supercomputere for visse typer problemer, men præcis hvor kraftfulde er de? Det drejer sig om spørgsmålet om, hvordan man måler deres ydeevne og sammenligner den med klassiske computeres.

I dag får vi et svar takket være arbejdet fra Benjamin Villalonga ved Quantum Artificial Intelligence Lab ved NASA Ames Research Center i Mountain View, Californien, og en gruppe kolleger, som har udviklet en benchmarking-test, der virker på både klassiske og kvanteenheder. På denne måde er det muligt at sammenligne deres præstationer.

Hvad mere er, har holdet brugt den nye test til at sætte Summit, verdens mest kraftfulde supercomputer, gennem sine hastigheder med 281 petaflops. Resultatet er det benchmark, som kvantecomputere skal slå for endelig at etablere deres overherredømme på ranglisten.

At finde et godt mål for kvantecomputerkraft er ingen nem opgave. Til at begynde med har dataloger længe vidst, at kvantecomputere kun kan udkonkurrere deres klassiske modstykker i et begrænset antal højt specialiserede opgaver. Og selv da er ingen kvantecomputer i øjeblikket stærk nok til at udføre nogen af ​​dem særlig godt, fordi de for eksempel ikke er i stand til fejlkorrektion.

Så Villalonga og co ledte efter en meget mere fundamental test af kvantecomputerkraft, der ville fungere lige godt for nutidens primitive enheder og morgendagens mere avancerede kvantemaskiner, og som også kunne simuleres på klassiske maskiner.

Deres valgte problem er at simulere udviklingen af ​​kvantekaos ved hjælp af tilfældige kvantekredsløb. Simple kvantecomputere kan gøre dette, fordi processen ikke kræver kraftig fejlkorrektion, og det er relativt ligetil at bortfiltrere resultater, der er blevet overvældet af støj.

Det er også ligetil for klassiske maskiner at simulere kvantekaos. Men den klassiske computerkraft, der kræves for at gøre dette, stiger eksponentielt med antallet af involverede qubits.

For to år siden fastslog fysikere, at kvantecomputere med mindst 50 qubits skulle opnå kvanteoverherredømme over en klassisk supercomputer på det tidspunkt.

Men målstolperne bevæger sig konstant, mens supercomputere opgraderes. For eksempel er Summit i stand til markant flere petaflops nu end i den sidste rangliste i november, hvor den tippede skalaen til 143 petaflops. Faktisk afslørede Oak Ridge National Labs i denne uge planer om at bygge en 1,5-exaflop-maskine i 2021. Så det er stadig vigtigere at kunne benchmarke disse maskiner mod de nye kvantecomputere.

Forskere ved NASA og Google har skabt en algoritme kaldet qFlex, der simulerer tilfældige kvantekredsløb på en klassisk maskine. Sidste år viste de, at qFlex kunne simulere og benchmarke ydeevnen af ​​en Google kvantecomputer kaldet Bristlecone, som har 72 qubits. For at gøre dette brugte de en supercomputer hos NASA Ames med 20 petaflops tal-knasende kraft.

Nu har de vist, at Summit-supercomputeren kan simulere ydeevnen af ​​en meget større kvanteenhed. På Summit var vi i stand til at opnå en vedvarende ydeevne på 281 Pflop/s (enkelt præcision) over hele supercomputeren og simulerede kredsløb på 49 og 121 qubits, siger de.

Disse 121 qubits er uden for enhver eksisterende kvantecomputers evne. Så klassiske computere forbliver en hårsbredde foran på ranglisten.

Men dette er et løb, de er bestemt til at tabe. Der er allerede planer om at bygge kvantecomputere med 100+ qubits inden for de næste par år. Og efterhånden som kvantekapaciteten accelererer, støder udfordringen med at bygge stadig mere kraftfulde klassiske maskiner allerede op mod bufferne.

Den begrænsende faktor for nye maskiner er ikke længere hardwaren, men den magt, der er til rådighed for at holde dem brummende. Summit-maskinen kræver allerede en 14 megawatt strømforsyning. Det er nok til at oplyse en hel mellemstor by. At skalere et sådant system med 10x ville kræve 140 MW effekt, hvilket ville være uoverkommeligt dyrt, siger Villalonga og co.

Derimod er kvantecomputere sparsommelige. Deres primære strømbehov er køling til superledende komponenter. Så en 72-qubit computer som Googles Bristlecone kræver for eksempel omkring 14 kw. Selv når qubit-systemer skalere op, er det usandsynligt, at denne mængde vokser markant, siger Villalonga og co.

Så i effektivitetsranglisten er kvantecomputere bestemt til at tørre gulvet med deres klassiske modstykker før snarere end senere.

På den ene eller anden måde kommer kvanteoverherredømmet. Hvis dette arbejde er noget at gå efter, vil benchmarken, der vil bevise, sandsynligvis være qFlex.

Ref: arxiv.org/abs/1905.00444 : Etablering af Quantum Supremacy Frontier med en 281 Pflop/s-simulering

skjule