La simulation de supercalculateurs offre un aperçu de l'avenir des ordinateurs quantiques

Un exemple du type de tâche qui peut être simulé sur un ordinateur 45 qubit

Les informaticiens ont un nom pour désigner le point auquel les ordinateurs quantiques deviennent plus puissants que les ordinateurs ordinaires. Ils appellent cela la suprématie quantique et, selon tous les témoignages, ce temps approche rapidement.

L'idée actuelle est qu'un ordinateur quantique capable de gérer 49 qubits correspondra à la capacité du supercalculateur le plus puissant de la planète. Et tout ce qui est plus grand que cela dépassera les limites des machines informatiques ordinaires.

Ce n'est pas encore tout à fait possible. Mais cela soulève des questions importantes sur la façon dont nous pouvons savoir si ces ordinateurs quantiques fonctionneront comme prévu. Pour le savoir, les informaticiens ont commencé à utiliser de puissants ordinateurs classiques pour simuler le comportement des ordinateurs quantiques.

L'idée est de calibrer et de comparer leur comportement aussi précisément que possible, pendant que nous le pouvons encore. Après cela, nous n'aurons plus qu'à faire confiance au monde quantique.

Bien sûr, personne n'a encore simulé un ordinateur quantique de 49 qubits. Mais aujourd'hui, Thomas Haner et Damian Steiger de l'ETH Zurich en Suisse annoncent la tentative la plus ambitieuse à ce jour.

Ces gars-là ont utilisé le cinquième supercalculateur le plus puissant au monde pour simuler le comportement d'un ordinateur quantique de 45 qubits. A notre connaissance, cela constitue un nouveau record du nombre maximal de qubits simulés, disent Haner et Steiger. Et ils montrent comment des simulations plus puissantes devraient être possibles.

Ces simulations sont difficiles en raison de l'ampleur même des calculs rendus possibles par les ordinateurs quantiques. Cette grande puissance provient du phénomène quantique de superposition, qui permet aux particules quantiques, telles que les photons, d'exister dans plusieurs états en même temps.

Par exemple, un photon polarisé horizontalement peut représenter un 0 et un photon polarisé verticalement peut représenter un un . Mais lorsqu'un photon existe en tant que superposition de polarisations horizontale et verticale en même temps, il peut représenter à la fois un 0 et un dans un calcul.

Ainsi, deux photons peuvent représenter quatre nombres, trois photons peuvent représenter huit nombres, etc. C'est là que les ordinateurs quantiques tirent leur puissance de calcul, et c'est pourquoi les ordinateurs classiques pâlissent en comparaison.

Par exemple, seulement 50 photons peuvent représenter 10 000 000 000 000 000 nombres. Un ordinateur classique aurait besoin d'une mémoire à l'échelle du pétaoctet pour en stocker autant.

Le traitement de ces chiffres sur un ordinateur classique est une tâche encore plus importante. En effet, la plupart des supercalculateurs sont constitués de nombreuses unités de traitement connectées dans un réseau informatique géant. Par conséquent, la gestion du flux de données vers et depuis ces nœuds représente une surcharge de communication importante.

Ce défi a limité la taille des simulations bien en dessous de la limite de la suprématie quantique. Le record du monde actuel est une simulation de 42 qubits, un travail qui a été réalisé sur le supercalculateur Julich en 2010. Peu de progrès ont été réalisés depuis en raison des problèmes de surcharge de calcul.

Cela a maintenant changé grâce aux travaux de Haner et Steiger. Leur percée consiste à trouver des moyens de réduire les frais généraux afin que la simulation puisse s'exécuter plus d'un ordre de grandeur plus rapidement qu'auparavant.

Les chercheurs ont appliqué ces améliorations à un ensemble de simulations sur le supercalculateur Cori II du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Cet appareil se compose de 9 304 nœuds, chacun contenant un processeur Intel Xeon Phi 7250 à 68 cœurs fonctionnant à 1,4 gigahertz. Cela conduit à une performance maximale de 29,1 pétaflops avec un pétaoctet de mémoire.

Nommé d'après Gerty Cori, la première femme à remporter un prix Nobel de médecine, le Cori II est le cinquième supercalculateur le plus puissant de la planète. Il ne manque donc pas de puissance de calcul.

Haner et Steiger ont utilisé cet appareil pour simuler la façon dont un ordinateur quantique effectuerait des calculs en utilisant 30, 36, 42 et 45 qubits. Pour la plus grande simulation, ils ont utilisé 0,5 pétaoctet de mémoire et 8 192 nœuds, atteignant une performance de 0,428 pétaflops.

C'est nettement moins que ce dont la machine est capable, même avec les accélérations conçues par l'équipe. L'équipe a imputé cette perte de performances aux frais généraux de communication, qui occupent encore 75 % du temps de calcul.

Haner et Steiger ont comparé les résultats avec des simulations d'ordinateurs de 30 et 36 ​​qubits exécutés sur un supercalculateur moins puissant appelé Edison, également au Lawrence Berkeley Lab. Ils ont constaté que leur approche accélérait également ces calculs. Cela indique que les accélérations obtenues n'étaient pas simplement une conséquence d'une nouvelle génération de matériel [pour Cori II], disent Haner et Steiger.

Ils disent que cette amélioration suggère que la simulation d'un ordinateur de 49 qubits devrait être possible dans un avenir proche.

C'est un travail intéressant qui ouvre la voie aux futurs ordinateurs quantiques. Les données de ces travaux joueront un rôle important pour garantir que les physiciens aient confiance dans les calculs quantiques lorsque la suprématie quantique sera enfin atteinte. Et ce jour n'est sûrement pas trop loin dans le futur.

Réf : arxiv.org/abs/1704.01127 : Simulation de 0,5 pétaoctet d'un circuit quantique de 45 qubits

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