Lorsque deux chercheurs de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) ont annoncé en avril qu'ils avaient réussi à simuler un circuit quantique de 45 qubits, la communauté scientifique l'a remarqué :il s'agissait de la plus grande simulation jamais réalisée d'un ordinateur quantique, et un pas de plus vers la simulation de la « suprématie quantique », le point auquel les ordinateurs quantiques deviennent plus puissants que les ordinateurs ordinaires.

Les calculs ont été effectués au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis. Les chercheurs Thomas Häner et Damien Steiger, les deux Ph.D. étudiants à l'ETH, utilisé 8, 192 sur 9, 688 processeurs Intel Xeon Phi sur le dernier supercalculateur de la NERSC, Cori, pour soutenir cette simulation, le plus grand d'une série qu'ils ont couru au NERSC pour le projet.

« L'informatique quantique » fait l'objet de recherches dédiées depuis des décennies, et pour cause :les ordinateurs quantiques ont le potentiel de briser les techniques de cryptographie courantes et de simuler des systèmes quantiques en une fraction du temps qu'il faudrait aux ordinateurs « classiques » actuels. Ils le font en tirant parti des états quantiques des particules pour stocker des informations en qubits (bits quantiques), une unité d'information quantique semblable à un bit régulier en informatique classique. Mieux encore, les qubits ont un pouvoir secret :ils peuvent effectuer plusieurs calculs à la fois. Un qubit peut effectuer deux calculs dans une superposition quantique, deux peuvent en faire quatre, trois huit, et ainsi de suite, avec une augmentation exponentielle correspondante du parallélisme quantique. Pourtant, exploiter ce parallélisme quantique est difficile, car l'observation de l'état quantique provoque l'effondrement du système en une seule réponse.

Alors, à quel point sommes-nous proches de la réalisation d'un véritable prototype fonctionnel ? On pense généralement qu'un ordinateur quantique déployant 49 qubits - une unité d'information quantique - sera capable d'égaler la puissance de calcul des supercalculateurs les plus puissants d'aujourd'hui. Vers cette fin, Les simulations de Häner et Steiger aideront à comparer et à calibrer les ordinateurs quantiques à court terme en réalisant des expériences de suprématie quantique avec ces premiers appareils et en les comparant à leurs résultats de simulation. En attendant, nous assistons à une augmentation des investissements dans la technologie de l'informatique quantique de la part de Google, IBM et d'autres entreprises technologiques de premier plan, même Volkswagen, ce qui pourrait considérablement accélérer le processus de développement.

Simulation et émulation d'ordinateurs quantiques

L'émulation et la simulation sont toutes deux importantes pour l'étalonnage, valider et comparer le matériel et les architectures émergents de l'informatique quantique. Dans un article présenté au SC16, Häner et Steiger ont écrit :« Bien que les ordinateurs quantiques à grande échelle ne soient pas encore disponibles, leurs performances peuvent être déduites à l'aide de cadres de compilation quantique et d'estimations de spécifications matérielles potentielles. Cependant, sans tester et déboguer des programmes quantiques sur des problèmes à petite échelle, leur justesse ne peut être tenue pour acquise. Les simulateurs et les émulateurs… sont essentiels pour répondre à ce besoin."

Cet article traitait de l'émulation de circuits quantiques - une représentation courante des programmes quantiques - tandis que l'article de 45 qubits se concentre sur la simulation de circuits quantiques. L'émulation n'est possible que pour certains types de sous-programmes quantiques, tandis que la simulation de circuits quantiques est une méthode générale qui permet également d'inclure les effets du bruit. De telles simulations peuvent être très difficiles, même sur les supercalculateurs les plus rapides d'aujourd'hui, Häner et Steiger ont expliqué. Pour la simulation à 45 qubits, par exemple, ils ont utilisé la plupart de la mémoire disponible sur chacun des 8, 192 nœuds. « Cela augmente considérablement la probabilité de défaillance du nœud, et nous ne pouvions pas nous attendre à fonctionner sur le système complet pendant plus d'une heure sans défaillance, ", ont-ils déclaré. "Nous avons donc dû réduire le temps de résolution à toutes les échelles (au niveau du nœud ainsi qu'au niveau du cluster) pour réaliser cette simulation."

L'optimisation du simulateur de circuit quantique était la clé. Häner et Steiger ont utilisé la génération automatique de code, optimisé les noyaux de calcul et appliqué un algorithme d'ordonnancement aux circuits de suprématie quantique, réduisant ainsi la communication de nœud à nœud requise. Au cours du processus d'optimisation, ils ont travaillé avec le personnel du NERSC et utilisé le modèle de ligne de toit de Berkeley Lab pour identifier les domaines potentiels où les performances pourraient être améliorées.

En plus de la simulation à 45 qubits, qui utilisait 0,5 pétaoctets de mémoire sur Cori et atteignait une performance de 0,428 pétaflops, ils ont également simulé 30-, Circuits quantiques de 36 et 42 qubits. Lorsqu'ils ont comparé les résultats avec des simulations de circuits de 30 et 36 qubits exécutés sur le système Edison de la NERSC, ils ont constaté que les simulations d'Edison étaient également plus rapides.

"Nos optimisations ont permis d'améliorer les performances - le nombre d'opérations en virgule flottante par temps - de 10x pour Edison et entre 10x et 20x pour Cori (selon le circuit à simuler et la taille par nœud), " Häner et Steiger ont déclaré. " Le temps de résolution a diminué de plus de 12 fois par rapport aux temps d'une simulation similaire rapportés dans un article récent sur la suprématie quantique par Boixo et ses collaborateurs, qui a rendu possible la simulation de 45 qubits."

Regarder vers l'avant, le duo souhaite effectuer davantage de simulations de circuits quantiques au NERSC afin de déterminer les performances des ordinateurs quantiques à court terme résolvant des problèmes de chimie quantique. Ils espèrent également utiliser des disques SSD pour stocker des fonctions d'onde plus importantes et ainsi essayer de simuler encore plus de qubits.