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La simulación de supercomputadora ofrece un vistazo al futuro de las computadoras cuánticas
Un ejemplo del tipo de tarea que se puede simular en una computadora de 45 qubits
Los informáticos tienen un nombre para el punto en el que las computadoras cuánticas se vuelven más poderosas que las computadoras ordinarias. Lo llaman supremacía cuántica y, según todos los informes, ese momento se acerca rápidamente.
El pensamiento actual es que una computadora cuántica capaz de manejar 49 qubits igualará la capacidad de la supercomputadora más poderosa del planeta. Y cualquier cosa más grande que eso estará fuera del alcance de las máquinas informáticas ordinarias.
Eso no es del todo posible todavía. Pero plantea preguntas importantes sobre cómo podemos saber si estas computadoras cuánticas funcionarán como se espera. Para averiguarlo, los científicos informáticos han comenzado a utilizar poderosas computadoras clásicas para simular el comportamiento de las computadoras cuánticas.
La idea es calibrar y comparar su comportamiento con la mayor precisión posible, mientras podamos. Después de eso, solo tendremos que confiar en el mundo cuántico.
Por supuesto, nadie ha simulado todavía una computadora cuántica de 49 qubits. Pero hoy, Thomas Haner y Damian Steiger de ETH Zurich en Suiza anuncian el intento más ambicioso hasta la fecha.
Estos chicos han utilizado la quinta supercomputadora más poderosa del mundo para simular el comportamiento de una computadora cuántica de 45 qubits. Hasta donde sabemos, esto constituye un nuevo récord en el número máximo de qubits simulados, dicen Haner y Steiger. Y muestran cómo deberían ser posibles simulaciones más poderosas.
Estas simulaciones son difíciles debido a la gran magnitud de los cálculos que hacen posibles las computadoras cuánticas. Este gran poder proviene del fenómeno cuántico de superposición, que permite que las partículas cuánticas, como los fotones, existan en más de un estado al mismo tiempo.
Por ejemplo, un fotón polarizado horizontalmente puede representar un 0 y un fotón polarizado verticalmente puede representar un 1 . Pero cuando un fotón existe como una superposición de polarizaciones tanto horizontales como verticales al mismo tiempo, puede representar tanto un 0 y 1 en un calculo.
De esta forma, dos fotones pueden representar cuatro números, tres fotones pueden representar ocho números y así sucesivamente. Aquí es donde las computadoras cuánticas obtienen su potencia computacional, y es por eso que las computadoras clásicas palidecen en comparación.
Por ejemplo, solo 50 fotones pueden representar 10 000 000 000 000 000 números. Una computadora clásica requeriría una memoria a escala de petabytes para almacenar esa cantidad.
Procesar estos números en una computadora clásica es una tarea aún mayor. Esto se debe a que la mayoría de las supercomputadoras se componen de muchas unidades de procesamiento conectadas en una red informática gigante. Como resultado, administrar el flujo de datos hacia y desde estos nodos es una sobrecarga de comunicaciones significativa.
Este desafío ha limitado el tamaño de las simulaciones muy por debajo del límite de supremacía cuántica. El récord mundial actual es una simulación de 42 qubits, trabajo que se realizó en la supercomputadora Julich en 2010. Se ha avanzado poco desde entonces debido a los problemas con los gastos generales computacionales.
Eso ahora ha cambiado gracias al trabajo de Haner y Steiger. Su gran avance es encontrar formas de reducir los gastos generales para que la simulación pueda ejecutarse más de un orden de magnitud más rápido que antes.
Los investigadores han aplicado estas mejoras a un conjunto de simulaciones en la supercomputadora Cori II en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Este dispositivo consta de 9.304 nodos, cada uno de los cuales contiene un procesador Intel Xeon Phi 7250 de 68 núcleos que funciona a 1,4 gigahercios. Esto conduce a un rendimiento máximo de 29,1 petaflops con un petabyte de memoria.
Nombrada en honor a Gerty Cori, la primera mujer en ganar un Premio Nobel de medicina, la Cori II es la quinta supercomputadora más poderosa del planeta. Por lo tanto, no le faltan caballos de fuerza computacionales.
Haner y Steiger usaron este dispositivo para simular la forma en que una computadora cuántica realizaría cálculos usando 30, 36, 42 y 45 qubits. Para la simulación más grande, utilizaron 0,5 petabytes de memoria y 8192 nodos, logrando un rendimiento de 0,428 petaflops.
Eso es significativamente menos de lo que la máquina es capaz de hacer, incluso con las aceleraciones que ha diseñado el equipo. El equipo atribuyó esta pérdida de rendimiento a la sobrecarga de comunicación, que aún ocupa el 75 por ciento del tiempo de cómputo.
Haner y Steiger compararon los resultados con simulaciones de computadoras de 30 y 36 qubits que se ejecutan en una supercomputadora menos poderosa llamada Edison, también en el Lawrence Berkeley Lab. Descubrieron que su enfoque también aceleró estos cálculos. Esto indica que las aceleraciones obtenidas no fueron simplemente una consecuencia de una nueva generación de hardware [para Cori II], dicen Haner y Steiger.
Dicen que esta mejora sugiere que la simulación de una computadora de 49 qubits debería ser posible en un futuro cercano.
Es un trabajo interesante que allana el camino para futuras computadoras cuánticas. Los datos de este trabajo jugarán un papel importante para garantizar que los físicos confíen en los cálculos cuánticos cuando finalmente se logre la supremacía cuántica. Y ese día seguramente no está muy lejos en el futuro.
Ref: arxiv.org/abs/1704.01127 : Simulación de 0,5 petabytes de un circuito cuántico de 45 Qubit