By Brian Siegel Wax publicado el 22 de marzo de 2024
Hace unos pocos años, los simuladores de computadoras cuánticas eran bastante limitados. En una computadora portátil, tal vez puedas simular alrededor de 10 qubits. A través de la nube, tal vez podrías simular alrededor de 20. Dependiendo de lo que estuvieras ejecutando, los algoritmos con estos bajos recuentos de qubits ya podrían tardar horas en procesarse. De hecho, descubrí el límite de tiempo de ejecución de 10,000 segundos de un simulador de nube mientras usaba solo unos 20 qubits. Esperé 2.75 horas solo para recibir un mensaje de error al final.
En los años transcurridos desde entonces, las computadoras cuánticas han mejorado enormemente, al igual que sus simuladores. No los he probado todos, pero es común encontrar afirmaciones de capacidades de simulación de 30 a 40 qubits. También hemos visto el aumento de los emuladores, que son simuladores que tienen modelos de ruido que imitan tipos específicos de computadoras cuánticas, o incluso computadoras cuánticas específicas.
Más recientemente, hemos visto un crecimiento en el uso de redes tensoriales. Estos solucionadores clásicos pueden pretender simular más de 100 qubits. Ahora aquí viene QPerfecto, que reivindica su Círculo MIMIQ familia de simuladores pueden manejar muchos cientos de qubits, tal vez hasta un par de miles de qubits. Se me concedió acceso brevemente y aproveché este tiempo para probar sus afirmaciones.
MIMIQ-Circ, de QPerfect
El desafío de la simulación clásica de computadoras cuánticas es que cada qubit entrelazado que agregamos duplica la cantidad de memoria que necesitamos para representar el sistema cuántico. Una forma de reducir el requisito general de memoria es no describir completamente el sistema. La necesidad de memoria sigue creciendo exponencialmente, pero se están duplicando cantidades menores. Otra forma de simular más qubits es restringir las operaciones que se pueden implementar, como es el caso del simulador Clifford, que puede simular varios miles de qubits.
MIMIQ-Circ sigue el primer enfoque, utilizando un espacio de estados parcial con un conjunto completo de operaciones. El recuento de qubits no es tan alto como el de un simulador de Clifford, pero es mucho más alto que el de otros simuladores.
MIMIQ-Circ es en realidad una pequeña familia de simuladores: un simulador de vector de estado y un simulador MPS.
Simulación de vector de estado
Durante el período de prueba actual, QPerfect está limitando su simulador de vector de estado a solo 32 qubits y un límite de disparo de 216. En realidad, no devuelve el vector de estado, que representa el estado de los qubits antes de la medición, pero está en proceso y hay una manera de obtenerlo mientras tanto. Por ahora, devuelve un muestreo de recuentos, como si estuviera utilizando un simulador QASM.
Lo interesante es que comparé las instalaciones locales de simuladores con un simulador MIMIQ-Circ alojado en la nube. Esto colocó a MIMIQ-Circ en una clara desventaja porque los datos tenían que hacer un viaje de ida y vuelta a través de Internet.
Probé los simuladores con circuitos QPE y HHL, que son algunos de los circuitos cuánticos más profundos que encontrarás. En las escalas más pequeñas, las implementaciones locales fueron más rápidas. Pero a medida que incrementé el número de qubits, MIMIQ-Circ se volvió más rápido incluso con el problema de Internet.
Para mostrarles qué tan rápido sucede esto con QPE, utilicé hidrógeno molecular, que es la molécula más pequeña posible que podemos usar. Para hacer un cálculo preciso, necesitamos nueve qubits en total. Y con nueve qubits en total, MIMIQ-Circ en la nube ya era más rápido que los simuladores locales. Con HHL, MIMIQ-Circ empató un simulador local con 15 qubits y lo superó con 16 qubits.
MIMIQ-Circ es lo suficientemente eficiente como para superar a los simuladores locales incluso con latencia de red. Es importante destacar que los resultados de MIMIQ-Cirq coinciden cualitativamente con los de los simuladores locales, lo que genera confianza en que realmente funciona.
Simulación MPS
Este es el simulador de red tensorial que supuestamente puede simular cientos de qubits. Pero no puedes hacer eso en ningún otro lugar, así que no tengo circuitos cuánticos tan grandes por ahí. Afortunadamente, es fácil construir un circuito masivo usando una subrutina llamada Prueba SWAP. Entonces, construí un circuito grande, lo ejecuté, lo amplié y lo ejecuté nuevamente hasta que MIMIQ-Circ finalmente se rompió.
MIMIQ-Circ procesó un circuito de 1401 qubit en poco menos de 6 minutos.
En algún lugar entre 1401 y 1421 qubits con entre 700 y 710 puertas SWAP controladas, MIMIQ-Circ finalmente comienza a devolver errores de tiempo de ejecución. Eso es casi 1400 qubits más de lo que puede manejar un simulador de computadora cuántica promedio.
Es importante destacar que, a pequeña escala, los resultados de MIMIQ-Circ coinciden cualitativamente con los de los simuladores locales. Desafortunadamente, otros simuladores no llegan muy lejos. Sin embargo, la prueba SWAP es fácil de verificar y MIMIQ-Circ parece funcionar mucho mejor a gran escala que otros simuladores a pequeña escala.
Simulación local frente a latencia de red
Para resolver el problema de latencia de la red, que es cuando hay que enviar datos de ida y vuelta a través de Internet, QPerfect dijo que están trabajando en trabajos por lotes, soporte de algoritmos variacionales y un simulador de vector de estado local de 20 qubit. Por lo que he visto, un simulador local debería superar cómodamente a otras alternativas locales. Como ventaja adicional, no tendrás que enviar tus datos a través de Internet, algo que, de todos modos, no todo el mundo quiere hacer.
Conclusión
MIMIQ-Circ debería poder simular todos los circuitos cuánticos que posiblemente podamos ejecutar en todas las computadoras cuánticas que existen hoy en día, incluidos los dos más de 1000 procesadores que no están disponibles públicamente. De hecho, MIMIQ-Circ tiene dos grandes ventajas respecto a estos procesadores:
- No hay ruido. En ausencia de corrección de errores cuánticos, que no tenemos en producción, MIMIQ-Circ debería ser cualitativamente mejor que los procesadores 1000+.
- MIMIQ-Circ tiene conectividad qubit total. Aunque uno de los más de 1000 procesadores tiene potencial para conectividad total, eso no se ha confirmado, y el otro definitivamente no.
Aunque me centré en las pruebas de estrés de MIMIQ-Circ, es importante reiterar que sus resultados coincidieron cualitativamente con los resultados de los simuladores locales. En las escalas más pequeñas donde pueden operar otros simuladores, es fácil confirmar que MIMIQ-Circ funciona. Y a gran escala, los resultados de la prueba SWAP son prometedores. MIMIQ-Circ parece ser rápido, preciso y único en su categoría.
Brian N. Siegelwax es un diseñador de algoritmos cuánticos independiente y escritor independiente para Dentro de la tecnología cuántica. Es conocido por sus contribuciones al campo de la computación cuántica, particularmente en el diseño de algoritmos cuánticos. Ha evaluado numerosos marcos, plataformas y utilidades de computación cuántica y ha compartido sus conocimientos y hallazgos a través de sus escritos. Siegelwax también es autor y ha escrito libros como “Dungeons & Qubits” y “Choose Your Own Quantum Adventure”. Escribe regularmente en Medium sobre diversos temas relacionados con la computación cuántica. Su trabajo incluye aplicaciones prácticas de la computación cuántica, revisiones de productos de computación cuántica y debates sobre conceptos de computación cuántica.
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- Fuente: https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/quantum-simulator-leap-looking-at-mimiq-circ-by-qperfect/
