By Brian Siegelwax pubblicato il 22 marzo 2024
Fino a pochi anni fa, i simulatori di computer quantistici erano piuttosto limitati. Su un laptop, forse potresti simulare circa 10 qubit. Tramite il cloud, forse potresti simularne circa 20. A seconda di cosa stavi eseguendo, gli algoritmi con un numero così basso di qubit potrebbero già richiedere ore per l'elaborazione. In effetti, ho scoperto il limite di autonomia di 10,000 secondi di un simulatore cloud utilizzando solo circa 20 qubit. Ho aspettato 2.75 ore solo per ricevere un messaggio di errore alla fine.
Negli anni successivi, i computer quantistici sono migliorati notevolmente, ma lo sono anche i loro simulatori. Non li ho testati tutti, ma è comune trovare affermazioni su capacità di simulazione di 30-40 qubit. Abbiamo anche assistito all’ascesa degli emulatori, ovvero simulatori che dispongono di modelli di rumore che imitano tipi specifici di computer quantistici, o addirittura computer quantistici specifici.
Più recentemente, abbiamo assistito a una crescita nell’uso delle reti tensoriali. Questi solutori classici possono pretendere di simulare più di 100 qubit. Ora, ecco che arriva QPerfetto, che rivendica la loro MIMIQ-Circ famiglia di simulatori possono gestire molte centinaia di qubit, forse fino a un paio di migliaia di qubit. Mi è stato concesso l'accesso per un breve periodo e ho utilizzato questo tempo per testare le loro affermazioni.
MIMIQ-Circ, di QPerfect
La sfida della simulazione classica dei computer quantistici è che ogni qubit entangled che aggiungiamo raddoppia la quantità di memoria di cui abbiamo bisogno per rappresentare il sistema quantistico. Un modo per ridurre il fabbisogno di memoria complessivo è non descrivere completamente il sistema. Il fabbisogno di memoria cresce ancora in modo esponenziale, ma i numeri più piccoli vengono raddoppiati. Un altro modo per simulare più qubit è limitare le operazioni che possono essere implementate, come nel caso del simulatore Clifford, che può simulare diverse migliaia di qubit.
MIMIQ-Circ segue il primo approccio, utilizzando uno spazio di stati parziale con una serie completa di operazioni. Il numero di qubit non è alto quanto quello di un simulatore Clifford, ma è molto più alto rispetto ad altri simulatori.
MIMIQ-Circ è in realtà una piccola famiglia di simulatori: un simulatore di vettori di stato e un simulatore MPS.
Simulazione dei vettori di stato
Durante l'attuale periodo di prova, QPerfect limita il suo simulatore di vettori di stato a soli 32 qubit e un limite di ripresa di 216. In realtà non restituisce il vettore di stato, che rappresenta lo stato dei qubit prima della misurazione, ma è in cantiere e nel frattempo c'è un modo per ottenerlo. Per ora, restituisce un campionamento come conteggi, come se si utilizzasse un simulatore QASM.
La cosa interessante è che ho confrontato le installazioni locali di simulatori con un simulatore MIMIQ-Circ ospitato nel cloud. Ciò ha posto MIMIQ-Circ in netto svantaggio perché i dati dovevano fare un viaggio di andata e ritorno attraverso Internet.
Ho testato i simulatori rispetto ai circuiti QPE e HHL, che sono alcuni dei circuiti quantistici più profondi che troverai. Su scala più piccola, le implementazioni locali sono state più veloci. Ma man mano che aumentavo il numero di qubit, MIMIQ-Circ è diventato più veloce anche con il problema di Internet.
Per mostrarvi quanto velocemente ciò accade con il QPE, ho usato l'idrogeno molecolare, che è la molecola più piccola possibile che possiamo usare. Per fare un calcolo preciso, abbiamo bisogno di nove qubit totali. E con nove qubit totali, MIMIQ-Circ sul cloud era già più veloce dei simulatori locali. Con HHL, MIMIQ-Circ ha collegato un simulatore locale a 15 qubit e lo ha superato a 16 qubit.
MIMIQ-Circ è abbastanza efficiente da superare i simulatori locali anche con la latenza di rete. È importante sottolineare che i risultati di MIMIQ-Cirq corrispondono qualitativamente ai simulatori locali, rafforzando la fiducia che funzioni effettivamente.
Simulazione MPS
Questo è il simulatore di rete tensore che presumibilmente può simulare centinaia di qubit. Ma non è possibile farlo da nessun'altra parte, quindi non ho circuiti quantistici così grandi in giro. Fortunatamente, è facile costruire un circuito enorme utilizzando una subroutine chiamata SWAP Test. Quindi, ho costruito un grande circuito, l'ho eseguito, l'ho ingrandito e l'ho eseguito di nuovo finché MIMIQ-Circ non si è rotto.
MIMIQ-Circ ha elaborato un circuito da 1401 qubit in poco meno di 6 minuti.
Da qualche parte tra 1401 e 1421 qubit con qualcosa tra 700 e 710 porte SWAP controllate, MIMIQ-Circ inizia finalmente a restituire errori di runtime. Si tratta di quasi 1400 qubit in più rispetto a quanto il simulatore di computer quantistico medio può gestire.
È importante sottolineare che, su piccola scala, i risultati di MIMIQ-Circ corrispondono qualitativamente ai simulatori locali. Sfortunatamente, altri simulatori non si espandono molto. Tuttavia, il test SWAP è facile da verificare e MIMIQ-Circ sembra resistere molto meglio su larga scala rispetto ad altri simulatori su piccola scala.
Simulazione locale e latenza di rete
Per risolvere il problema della latenza di rete, che è il punto in cui è necessario inviare dati di andata e ritorno attraverso Internet, QPerfect ha affermato che stanno lavorando su lavori batch, supporto di algoritmi variazionali e un simulatore di vettori di stato locali da 20 qubit. Da quello che ho visto, un simulatore locale dovrebbe superare facilmente le altre alternative locali. Come bonus, non dovrai inviare i tuoi dati attraverso Internet, cosa che comunque non tutti vogliono fare.
Conclusione
MIMIQ-Circ dovrebbe essere in grado di simulare ogni circuito quantistico che possiamo eseguire su ogni computer quantistico oggi esistente, compresi gli oltre duemila processori che non sono disponibili al pubblico. In effetti, MIMIQ-Circ presenta due vantaggi principali rispetto a questi processori:
- Non c'è rumore. In assenza della correzione quantistica degli errori, che non abbiamo in produzione, MIMIQ-Circ dovrebbe essere qualitativamente migliore degli oltre 1000 processori.
- MIMIQ-Circ dispone di connettività qubit all-to-all. Sebbene uno degli oltre 1000 processori abbia il potenziale per la connettività all-to-all, ciò non è stato confermato, e l'altro sicuramente no.
Anche se mi sono concentrato sullo stress test MIMIQ-Circ, è importante ribadire che i suoi risultati corrispondevano qualitativamente ai risultati dei simulatori locali. Alle scale più piccole in cui possono operare altri simulatori, è facile confermare che MIMIQ-Circ funziona. E su larga scala, i risultati dello SWAP Test sono promettenti. MIMIQ-Circ sembra essere veloce, preciso e unico nel suo genere.
Brian N. Siegelwax è un progettista indipendente di algoritmi quantistici e uno scrittore freelance per Dentro la tecnologia quantistica. È noto per i suoi contributi nel campo dell'informatica quantistica, in particolare nella progettazione di algoritmi quantistici. Ha valutato numerosi framework, piattaforme e utilità di calcolo quantistico e ha condiviso le sue intuizioni e scoperte attraverso i suoi scritti. Siegelwax è anche un autore e ha scritto libri come "Dungeons & Qubits" e "Scegli la tua avventura quantistica". Scrive regolarmente su Medium su vari argomenti relativi all'informatica quantistica. Il suo lavoro include applicazioni pratiche dell'informatica quantistica, recensioni di prodotti dell'informatica quantistica e discussioni sui concetti dell'informatica quantistica.
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- Fonte: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/quantum-simulator-leap-looking-at-mimiq-circ-by-qperfect/
