TOKIO, 19 de febrero de 2024 – (JCN Newswire) – Fujitsu anunció hoy el desarrollo de una novedosa técnica en un simulador cuántico que acelera los algoritmos híbridos cuánticos-clásicos, que han sido propuestos como método para el uso temprano de computadoras cuánticas, logrando 200 veces la velocidad computacional de simulaciones anteriores. Para los cálculos de circuitos cuánticos que utilizan algoritmos híbridos clásicos y cuánticos convencionales, el número de veces que se realiza el cálculo del circuito cuántico aumenta dependiendo de la escala del problema a resolver. Los problemas de mayor escala que requieren muchos qubits, incluidas las simulaciones en los campos del descubrimiento de materiales y fármacos, pueden requerir incluso varios cientos de días.
La tecnología recientemente desarrollada permite el procesamiento simultáneo de una gran cantidad de cálculos de circuitos cuánticos ejecutados repetitivamente distribuidos entre múltiples grupos. Fujitsu también ha ideado una manera de simplificar problemas a gran escala con menos pérdida de precisión mediante el uso de uno de los simuladores cuánticos de mayor escala del mundo (1)se ha desarrollado. Fujitsu ha hecho posible realizar cálculos en un simulador cuántico en tan solo un día, algo que se estima que tardaría 200 días en completarse con métodos convencionales. Como resultado, ahora es posible completar simulaciones de computación cuántica a gran escala dentro de un marco de tiempo realista y simular el comportamiento de moléculas más grandes calculadas mediante un algoritmo híbrido cuántico-clásico, lo que lleva al desarrollo de algoritmos.
Fujitsu planea incorporar esta tecnología en su plataforma de computación cuántica híbrida para acelerar la investigación sobre la aplicación práctica de las computadoras cuánticas en diversos campos, incluidas las finanzas y el descubrimiento de fármacos. Además, Fujitsu no sólo aplicará esta tecnología a simuladores cuánticos, sino también para acelerar los cálculos de circuitos cuánticos en computadoras cuánticas reales.
Antecedentes
Aunque el desarrollo de computadoras cuánticas tolerantes a fallas (FTQC (2) ) está avanzando en todo el mundo, los ordenadores cuánticos actuales se enfrentan a numerosos problemas, como por ejemplo la imposibilidad de eliminar los efectos del ruido. Al mismo tiempo, para demostrar la utilidad de los ordenadores cuánticos antes que el FTQC, se están estudiando aplicaciones prácticas para ordenadores cuánticos de tamaño pequeño y mediano (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer, NISQ) con una tolerancia al ruido de 100 a 1,000 qubits.
Aplicando VQE (3), un algoritmo NISQ típico, Fujitsu, por ejemplo, ha desarrollado un simulador cuántico para el desarrollo de aplicaciones cuánticas (4) y ha estado trabajando para acelerar el cálculo de circuitos cuánticos. Sin embargo, en VQE, el número de iteraciones del cálculo del circuito cuántico aumenta a medida que aumenta el tamaño del problema, por lo que lleva mucho tiempo realizar el cálculo, especialmente para problemas grandes que requieren muchos qubits, y se estima que se necesitan varios 100 días para un simulador cuántico. Por tanto, fue difícil desarrollar algoritmos cuánticos para uso práctico.
Esquema de la tecnología recientemente desarrollada
En respuesta a este problema, Fujitsu ha desarrollado una tecnología que logra una velocidad de rendimiento 200 veces mayor que las tecnologías convencionales al distribuir simultáneamente múltiples cálculos de circuitos cuánticos ejecutados repetitivamente y reducir la cantidad de cálculos de circuitos cuánticos al reducir la degradación de la precisión.
Simultaneidad distribuida de procesos de optimización que requieren cálculos repetidos de circuitos cuánticos.
Los algoritmos híbridos cuánticos-clásicos buscan un circuito cuántico que proporcione el estado de energía más bajo, por ejemplo, el estado fundamental de una molécula, alternando entre el proceso de realizar cálculos del circuito cuántico y el proceso de optimización de los parámetros del circuito cuántico (5) usando una computadora clásica. Sin embargo, para la optimización de parámetros de circuitos cuánticos mediante computadoras clásicas, es necesario preparar una gran cantidad de circuitos cuánticos con pequeños cambios en los parámetros, realizar el cálculo del circuito cuántico para todos ellos secuencialmente y derivar los parámetros óptimos a partir de los resultados. Esto requiere un tiempo considerable para el cálculo, especialmente para problemas de mayor escala. Aumentar el número de nodos simplemente para acelerar el cálculo de circuitos ha estado convencionalmente limitado por la sobrecarga de comunicación, y se requirieron nuevas tecnologías.
Centrándose en el hecho de que los circuitos cuánticos con pequeños cambios de parámetros se pueden ejecutar sin afectarse entre sí, Fujitsu ha desarrollado una tecnología de procesamiento distribuido que permite a cada grupo ejecutar diferentes circuitos cuánticos dividiendo los nodos de cálculo del simulador cuántico en múltiples grupos y utilizando RPC. (6)tecnología para enviar trabajos de computación de circuitos cuánticos a través de la red. Con esta tecnología, se pueden distribuir y calcular simultáneamente múltiples circuitos cuánticos con diferentes parámetros, y el tiempo de cálculo se puede reducir a 1/70 del de la tecnología convencional.
Además, dado que la cantidad de cálculo en el algoritmo híbrido cuántico clásico es proporcional al número de términos en la ecuación del problema a resolver, y el número de términos es la cuarta potencia del número de qubits en el VQE general, la cantidad de cálculo aumenta a medida que aumenta la escala del problema y el resultado no se puede obtener en un tiempo realista. Mediante simulaciones de moléculas grandes utilizando 32 qubits de uno de los simuladores cuánticos de 40 qubits más grandes del mundo, Fujitsu ha descubierto que la proporción de términos con coeficientes pequeños respecto al número total de términos aumenta a medida que aumenta la escala, y que el efecto de los términos con coeficientes pequeños Los coeficientes sobre los resultados finales de los cálculos son mínimos. Aprovechando esta característica, Fujitsu pudo lograr tanto una reducción en el número de términos en la ecuación como la prevención del deterioro en la precisión del cálculo, reduciendo así el tiempo de cálculo del circuito cuántico en aproximadamente un 80%.
Al combinar estas dos tecnologías, Fujitsu pudo demostrar por primera vez en el mundo que cuando se distribuía el procesamiento de 1024 nodos de cómputo en 8 grupos para un problema de 32 qubits, era posible lograr un tiempo de ejecución de simulación cuántica de 32 qubits en uno. día, frente a la estimación anterior de 200 días. Se espera que esto avance en el desarrollo de algoritmos cuánticos para problemas con una gran cantidad de qubits y la aplicación de computadoras cuánticas a los campos de los materiales y las finanzas.
Yukihiro Okuno, investigador científico senior, Centro de Tecnología de Análisis, Fujifilm Corporation, comenta:
“Estamos investigando la aplicación de las computadoras cuánticas al desarrollo de materiales. Entre ellos, el uso de VQE en dispositivos NISQ es una consideración esencial. Esperamos que esta tecnología de aceleración acelere en gran medida la verificación del principio del algoritmo VQE.�
Tsuyoshi Moriya, vicepresidente del Centro de Diseño Digital de Tokyo Electron Limited, comenta:
“Estamos estudiando el uso de VQE para calcular la energía de moléculas relacionadas con materiales semiconductores, predecir la estructura electrónica y las propiedades físicas de materiales específicos y optimizar reacciones químicas en procesos de fabricación de semiconductores. Esperamos que acelerar este proceso nos permita verificar rápidamente el principio y la eficacia del algoritmo VQE y descubrir su utilidad. Los dispositivos NISQ cuyo uso esté limitado por el ruido y los errores se considerarán teniendo en cuenta estas limitaciones.�
[ 1 ] Uno de los simuladores cuánticos a mayor escala del mundo:Es una de las unidades dedicadas permanentemente más grandes del mundo de State Vector (a partir de febrero de 2024, según Fujitsu), un método universal de simulación de circuitos cuánticos.
[ 2 ] FTQC:Computadora cuántica tolerante a fallas. Computadora cuántica capaz de ejecutar cálculos cuánticos sin errores mientras corrige el error cuántico.
[ 3 ] VQE:Abreviatura de Variational Quantum Eigensolver, una técnica para determinar la energía de la materia mediante la repetición del cálculo con una computadora cuántica y la optimización con una computadora clásica.
[ 4 ] Un simulador cuántico para el desarrollo de aplicaciones cuánticas:Fujitsu logra un importante hito técnico con el simulador cuántico de 36 qubits más rápido del mundo (30 de marzo de 2022)
[ 5 ] Parámetros del circuito cuántico:Ángulo de rotación de la puerta del circuito cuántico para ajustar el estado cuántico de referencia a un estado cuántico físicamente significativo.
[ 6 ] RPC:Abreviatura de llamada a procedimiento remoto. El arte de realizar un proceso de una computadora a otra a través de una red o similar.
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