Vor ein paar Jahren gab es nur wenige Quantencomputersimulatoren. Auf einem Laptop könnten Sie vielleicht etwa 10 Qubits simulieren. Über die Cloud könnten Sie vielleicht etwa 20 simulieren. Je nachdem, was Sie ausführen, kann die Verarbeitung von Algorithmen mit dieser geringen Qubit-Anzahl bereits Stunden dauern. Tatsächlich habe ich herausgefunden, dass ein Cloud-Simulator eine Laufzeit von 10,000 Sekunden hat, obwohl er nur etwa 20 Qubits verwendet. Ich habe 2.75 Stunden gewartet, bis am Ende eine Fehlermeldung angezeigt wurde.

Seitdem haben sich Quantencomputer stark verbessert, aber auch ihre Simulatoren haben sich stark verbessert. Ich habe sie nicht alle getestet, aber es ist üblich, Behauptungen über 30–40 Qubit-Simulationsfunktionen zu finden. Wir haben auch den Aufstieg von Emulatoren erlebt, bei denen es sich um Simulatoren handelt, die über Rauschmodelle verfügen, die bestimmte Arten von Quantencomputern oder sogar bestimmte Quantencomputer nachahmen.

In jüngerer Zeit konnten wir eine Zunahme der Nutzung von Tensornetzwerken beobachten. Diese klassischen Löser können von sich behaupten, mehr als 100 Qubits zu simulieren. Jetzt kommt es QPerfekt, die ihre Ansprüche MIMIQ-Circ Familie Viele Simulatoren können viele hundert Qubits verarbeiten, vielleicht bis zu ein paar tausend Qubits. Mir wurde kurzzeitig Zugang gewährt und ich nutzte diese Zeit, um ihre Behauptungen zu testen.

MIMIQ-Circ von QPerfect

Die Herausforderung bei der klassischen Simulation von Quantencomputern besteht darin, dass jedes hinzugefügte verschränkte Qubit die Menge an Speicher verdoppelt, die wir zur Darstellung des Quantensystems benötigen. Eine Möglichkeit, den Gesamtspeicherbedarf zu reduzieren, besteht darin, das System nicht vollständig zu beschreiben. Der Speicherbedarf wächst immer noch exponentiell, kleinere Mengen werden jedoch verdoppelt. Eine andere Möglichkeit, mehr Qubits zu simulieren, besteht darin, die durchführbaren Operationen einzuschränken, wie es bei einem Clifford-Simulator der Fall ist, der mehrere tausend Qubits simulieren kann. 

MIMIQ-Circ folgt dem ersten Ansatz und verwendet einen Teilzustandsraum mit einem vollständigen Satz an Operationen. Die Anzahl der Qubits ist nicht so hoch wie bei einem Clifford-Simulator, aber viel höher als bei anderen Simulatoren. 

MIMIQ-Circ ist eigentlich eine kleine Familie von Simulatoren: ein Statevector-Simulator und ein MPS-Simulator.

Zustandsvektorsimulation

Während der aktuellen Testphase beschränkt QPerfect seinen Statevector-Simulator auf nur 32 Qubits und ein Schusslimit von 216. Es gibt nicht wirklich den Zustandsvektor zurück, der den Zustand der Qubits vor der Messung darstellt, aber dieser ist in der Pipeline und es gibt eine Möglichkeit, ihn in der Zwischenzeit abzurufen. Im Moment wird eine Stichprobe als Anzahl zurückgegeben, als ob Sie einen QASM-Simulator verwenden würden. 

Interessant ist, dass ich lokale Installationen von Simulatoren mit einem in der Cloud gehosteten MIMIQ-Circ-Simulator verglichen habe. Dadurch hatte MIMIQ-Circ einen deutlichen Nachteil, da die Daten einen Roundtrip über das Internet machen mussten. 

Ich habe die Simulatoren mit QPE- und HHL-Schaltkreisen getestet, die zu den tiefsten Quantenschaltkreisen gehören, die Sie finden werden. Bei den kleinsten Maßstäben waren die lokalen Implementierungen schneller. Aber als ich die Anzahl der Qubits erhöhte, wurde MIMIQ-Circ trotz des Internetproblems schneller. 

Um Ihnen zu zeigen, wie schnell dies mit QPE geschieht, habe ich molekularen Wasserstoff verwendet, das kleinstmögliche Molekül, das wir verwenden können. Für eine genaue Berechnung benötigen wir insgesamt neun Qubits. Und mit insgesamt neun Qubits war MIMIQ-Circ über die Cloud bereits schneller als die lokalen Simulatoren. Mit HHL verband MIMIQ-Circ einen lokalen Simulator mit 15 Qubits und übertraf ihn mit 16 Qubits.

MIMIQ-Circ ist effizient genug, um selbst bei Netzwerklatenz lokale Simulatoren zu überholen. Wichtig ist, dass die Ergebnisse von MIMIQ-Cirq qualitativ mit denen lokaler Simulatoren übereinstimmen und so die Gewissheit schaffen, dass es tatsächlich funktioniert.

MPS-Simulation

Dies ist der Tensor-Netzwerksimulator, der angeblich Hunderte von Qubits simulieren kann. Aber das kann man nirgendwo anders machen, also habe ich keine so großen Quantenschaltkreise herumliegen. Glücklicherweise ist es einfach, mit einer Unterroutine namens SWAP-Test eine umfangreiche Schaltung aufzubauen. Also baute ich einen großen Schaltkreis, ließ ihn laufen, vergrößerte ihn und ließ ihn erneut laufen, bis MIMIQ-Circ schließlich kaputt ging.

MIMIQ-Circ verarbeitete eine 1401-Qubit-Schaltung in knapp 6 Minuten. 

Irgendwo zwischen 1401 und 1421 Qubits mit irgendwo zwischen 700 und 710 kontrollierten Swap-Gattern beginnt MIMIQ-Circ endlich, Laufzeitfehler zurückzugeben. Das sind fast 1400 Qubits mehr, als ein durchschnittlicher Quantencomputersimulator verarbeiten kann.

Wichtig ist, dass die Ergebnisse von MIMIQ-Circ im kleinen Maßstab qualitativ mit den lokalen Simulatoren übereinstimmen. Leider lassen sich andere Simulatoren nicht sehr weit skalieren. Der SWAP-Test lässt sich jedoch leicht überprüfen, und MIMIQ-Circ scheint in großen Maßstäben viel besser zu funktionieren als andere Simulatoren in kleinen Maßstäben.

Lokale Simulation vs. Netzwerklatenz

Um das Problem der Netzwerklatenz zu lösen, bei dem Daten über das Internet hin- und hergeschickt werden müssen, arbeiten sie laut QPerfect an Batch-Jobs, Unterstützung für Variationsalgorithmen und einem lokalen 20-Qubit-Zustandsvektorsimulator. Nach allem, was ich gesehen habe, sollte ein lokaler Simulator andere lokale Alternativen deutlich übertreffen. Als Bonus müssen Sie Ihre Daten nicht über das Internet senden, was ohnehin nicht jeder möchte. 

Zusammenfassung

MIMIQ-Circ sollte in der Lage sein, jede Quantenschaltung zu simulieren, die wir möglicherweise auf jedem heute existierenden Quantencomputer ausführen können, einschließlich der beiden über 1000 Prozessoren, die nicht öffentlich verfügbar sind. Tatsächlich hat MIMIQ-Circ gegenüber diesen Prozessoren zwei große Vorteile:

1. Es gibt keinen Lärm. Ohne Quantenfehlerkorrektur, die wir in der Produktion nicht haben, sollte MIMIQ-Circ qualitativ besser sein als die über 1000 Prozessoren.
2. MIMIQ-Circ verfügt über eine umfassende Qubit-Konnektivität. Obwohl einer der über 1000 Prozessoren das Potenzial für All-to-All-Konnektivität hat, wurde dies nicht bestätigt, und der andere ist dies definitiv nicht.

Obwohl ich mich auf den Stresstest von MIMIQ-Circ konzentriert habe, muss ich noch einmal betonen, dass die Ergebnisse qualitativ mit den Ergebnissen der lokalen Simulatoren übereinstimmten. In den kleinsten Maßstäben, in denen andere Simulatoren funktionieren können, lässt sich leicht bestätigen, dass MIMIQ-Circ funktioniert. Und im großen Maßstab sind die Ergebnisse des SWAP-Tests vielversprechend. MIMIQ-Circ scheint schnell, präzise und in einer eigenen Liga zu sein.

Brian N. Siegelwax ist ein unabhängiger Quantenalgorithmus-Designer und freiberuflicher Autor für Im Inneren der Quantentechnologie. Er ist bekannt für seine Beiträge auf dem Gebiet des Quantencomputings, insbesondere im Design von Quantenalgorithmen. Er hat zahlreiche Quantencomputing-Frameworks, -Plattformen und -Dienstprogramme evaluiert und seine Erkenntnisse und Erkenntnisse in seinen Schriften weitergegeben. Siegelwax ist außerdem Autor und hat Bücher wie „Dungeons & Qubits“ und „Choose Your Own Quantum Adventure“ geschrieben. Er schreibt regelmäßig auf Medium über verschiedene Themen im Zusammenhang mit Quantencomputing. Seine Arbeit umfasst praktische Anwendungen des Quantencomputings, Rezensionen von Quantencomputing-Produkten und Diskussionen über Quantencomputing-Konzepte.

Kategorien:
Quantencomputing, Forschungsprojekte, Software.

Stichworte:
Brian Siegelwachs, MIMIQ-Circ, QPerfekt

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• Quelle: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/quantum-simulator-leap-looking-at-mimiq-circ-by-qperfect/