Les nouveaux ordinateurs quantiques de référence doivent battre pour atteindre la suprématie quantique

Recherche IBM ; OLCF à l'ORNL | FLickr

Deux fois par an, le projet TOP500 publie un classement des ordinateurs les plus puissants au monde. La liste est très attendue et extrêmement influente. Les superpuissances mondiales rivalisent pour dominer le classement et, au moment de la rédaction de cet article, la Chine occupe la première place, avec 229 appareils sur la liste.

Les États-Unis n'en ont que 121, mais cela inclut le plus puissant du monde : le supercalculateur Summit du laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee, qui a été cadencé à 143 pétaflops (143 milliards de millions d'opérations en virgule flottante par seconde).

Le classement est déterminé par un programme d'analyse comparative appelé Linpack, qui est une collection de sous-programmes Fortran qui résolvent une gamme d'équations linéaires. Le temps nécessaire pour résoudre les équations est une mesure de la vitesse de l'ordinateur.

Histoire connexe

En savoir plus sur ce sujet

Comment cela fonctionne, pourquoi il est si puissant et où il est susceptible d'être le plus utile en premier

Les controverses sur ce choix de référence ne manquent pas. Les architectures informatiques sont généralement optimisées pour résoudre des problèmes spécifiques, et nombre d'entre elles sont très différentes du défi Linpack. Les ordinateurs quantiques, par exemple, sont totalement inadaptés à la résolution de ce genre de problèmes.

Et cela soulève une question importante. Les ordinateurs quantiques sont sur le point de surpasser les superordinateurs les plus puissants pour certains types de problèmes, mais quelle est leur puissance exacte ? En cause se pose la question de savoir comment mesurer leurs performances et les comparer à celles des ordinateurs classiques.

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Benjamin Villalonga du laboratoire d'intelligence artificielle quantique du centre de recherche Ames de la NASA à Mountain View, en Californie, et d'un groupe de collègues qui ont développé un test de référence qui fonctionne à la fois sur les appareils classiques et quantiques. De cette façon, il est possible de comparer leurs performances.

De plus, l'équipe a utilisé le nouveau test pour mettre le Summit, le supercalculateur le plus puissant du monde, à l'épreuve à 281 pétaflops. Le résultat est la référence que les ordinateurs quantiques doivent battre pour enfin asseoir leur suprématie dans les classements.

Trouver une bonne mesure de la puissance de calcul quantique n'est pas une tâche facile. Pour commencer, les informaticiens savent depuis longtemps que les ordinateurs quantiques ne peuvent surpasser leurs homologues classiques que dans un nombre limité de tâches hautement spécialisées. Et même dans ce cas, aucun ordinateur quantique n'est actuellement assez puissant pour en exécuter particulièrement bien car, par exemple, ils sont incapables de corriger les erreurs.

Villalonga et co ont donc recherché un test beaucoup plus fondamental de la puissance de calcul quantique qui fonctionnerait aussi bien pour les appareils primitifs d'aujourd'hui que pour les machines quantiques plus avancées de demain, et pourrait également être simulé sur des machines classiques.

Leur problème choisi est de simuler l'évolution du chaos quantique à l'aide de circuits quantiques aléatoires. De simples ordinateurs quantiques peuvent le faire car le processus ne nécessite pas de correction d'erreur puissante et il est relativement simple de filtrer les résultats qui ont été submergés par le bruit.

Il est également simple pour les machines classiques de simuler le chaos quantique. Mais la puissance de calcul classique requise pour ce faire augmente de façon exponentielle avec le nombre de qubits impliqués.

Il y a deux ans, les physiciens ont déterminé que les ordinateurs quantiques avec au moins 50 qubits devraient atteindre la suprématie quantique sur un supercalculateur classique à cette époque.

Mais les poteaux de but bougent constamment à mesure que les superordinateurs sont mis à niveau. Par exemple, Summit est capable de produire beaucoup plus de pétaflops maintenant que lors du dernier classement de novembre, lorsqu'il faisait pencher la balance à 143 pétaflops. En effet, Oak Ridge National Labs a dévoilé cette semaine son intention de construire une machine à 1,5 exaflop d'ici 2021. Il est donc de plus en plus important de pouvoir continuellement comparer ces machines aux ordinateurs quantiques émergents.

Des chercheurs de la NASA et de Google ont créé un algorithme appelé qFlex qui simule des circuits quantiques aléatoires sur une machine classique. L'année dernière, ils ont montré que qFlex pouvait simuler et comparer les performances d'un ordinateur quantique de Google appelé Bristlecone, qui dispose de 72 qubits. Pour ce faire, ils ont utilisé un supercalculateur de la NASA Ames avec 20 pétaflops de puissance de calcul.

Maintenant, ils ont montré que le supercalculateur Summit peut simuler les performances d'un appareil quantique beaucoup plus grand. Sur Summit, nous avons pu atteindre une performance soutenue de 281 Pflop/s (simple précision) sur l'ensemble du supercalculateur, simulant des circuits de 49 et 121 qubits, disent-ils.

Ces 121 qubits dépassent les capacités de tout ordinateur quantique existant. Les ordinateurs classiques restent donc un cheveu d'avance dans le classement.

Mais c'est une course qu'ils sont destinés à perdre. Des plans sont déjà en cours pour construire des ordinateurs quantiques avec plus de 100 qubits dans les prochaines années. Et à mesure que les capacités quantiques s'accélèrent, le défi de construire des machines classiques toujours plus puissantes se heurte déjà aux tampons.

Le facteur limitant pour les nouvelles machines n'est plus le matériel mais la puissance disponible pour les faire bourdonner. La machine Summit nécessite déjà une alimentation électrique de 14 mégawatts. De quoi éclairer toute une ville de taille moyenne. Pour multiplier par 10 un tel système, il faudrait 140 MW de puissance, ce qui serait d'un coût prohibitif, selon Villalonga et co.

En revanche, les ordinateurs quantiques sont frugaux. Leur principal besoin en énergie est le refroidissement des composants supraconducteurs. Ainsi, un ordinateur de 72 qubits comme le Bristlecone de Google, par exemple, nécessite environ 14 kw. Même si les systèmes qubit évoluent, il est peu probable que ce montant augmente de manière significative, disent Villalonga et co.

Ainsi, dans le classement de l'efficacité, les ordinateurs quantiques sont destinés à essuyer le sol avec leurs homologues classiques le plus tôt possible.

D'une manière ou d'une autre, la suprématie quantique arrive. Si ce travail est quelque chose à dire, la référence qui le prouvera sera probablement qFlex.

Réf : arxiv.org/abs/1905.00444 : Établir la frontière de la suprématie quantique avec une simulation à 281 Pflop/s

cacher