Simulador quântico dando um salto no MIMIQ-Circ da QPerfect

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Brian Siegelwax testa o MIMIQ-Circ do QPerfect para ver se ele nos mantém em uma simulação quântica padrão.

By Brian Siegel cera postado em 22 de março de 2024

Há poucos anos, os simuladores de computador quântico eram bastante limitados. Em um laptop, talvez você pudesse simular cerca de 10 qubits. Através da nuvem, talvez você pudesse simular cerca de 20. Dependendo do que você estava executando, algoritmos com essas contagens baixas de qubits já poderiam levar horas para serem processados. Na verdade, descobri o limite de tempo de execução de 10,000 segundos de um simulador de nuvem usando apenas cerca de 20 qubits. Esperei 2.75 horas apenas para receber uma mensagem de erro no final.

Nos anos seguintes, os computadores quânticos melhoraram muito, mas também os seus simuladores. Não testei todos eles, mas é comum encontrar afirmações sobre capacidades de simulação de 30 a 40 qubits. Também vimos o surgimento de emuladores, que são simuladores que possuem modelos de ruído que imitam tipos específicos de computadores quânticos, ou mesmo computadores quânticos específicos.

Mais recentemente, vimos um crescimento no uso de redes tensores. Esses solucionadores clássicos podem simular mais de 100 qubits. Agora, aí vem QPerfeito, que reivindica a sua Circ MIMIQ família de simuladores podem lidar com centenas de qubits, talvez até alguns milhares de qubits. Recebi acesso por um breve período e usei esse tempo para testar suas afirmações.

MIMIQ-Circ, por QPerfect

O desafio da simulação clássica de computadores quânticos é que cada qubit emaranhado que adicionamos dobra a quantidade de memória necessária para representar o sistema quântico. Uma maneira de reduzir o requisito geral de memória é não descrever completamente o sistema. A necessidade de memória ainda cresce exponencialmente, mas números menores estão sendo duplicados. Outra forma de simular mais qubits é restringir as operações que podem ser implementadas, como é o caso de um simulador Clifford, que pode simular vários milhares de qubits.

MIMIQ-Circ segue a primeira abordagem, usando um espaço de estados parcial com um conjunto completo de operações. A contagem de qubits não é tão alta quanto a de um simulador Clifford, mas é muito maior que a de outros simuladores.

MIMIQ-Circ é na verdade uma pequena família de simuladores: um simulador de vetor de estado e um simulador MPS.

Simulação de vetor de estado

Durante o período de teste atual, o QPerfect está limitando seu simulador de vetor de estado a apenas 32 qubits e um limite de disparo de 216. Na verdade, ele não retorna o statevector, que representa o estado dos qubits antes da medição, mas está em desenvolvimento e há uma maneira de obtê-lo enquanto isso. Por enquanto, ele retorna uma amostragem como contagem, como se você estivesse usando um simulador QASM.

O interessante é que comparei instalações locais de simuladores com um simulador MIMIQ-Circ hospedado na nuvem. Isso colocou o MIMIQ-Circ em clara desvantagem porque os dados tinham que fazer uma viagem de ida e volta pela Internet.

Testei os simuladores em circuitos QPE e HHL, que são alguns dos circuitos quânticos mais profundos que você encontrará. Nas escalas menores, as implementações locais foram mais rápidas. Mas à medida que aumentei a contagem de qubits, o MIMIQ-Circ tornou-se mais rápido, mesmo com o problema da Internet.

Para mostrar como isso acontece rapidamente com o QPE, usei hidrogênio molecular, que é a menor molécula possível que podemos usar. Para fazer um cálculo preciso, precisamos de nove qubits no total. E com nove qubits no total, o MIMIQ-Circ na nuvem já era mais rápido que os simuladores locais. Com o HHL, o MIMIQ-Circ empatou um simulador local em 15 qubits e o superou em 16 qubits.

O MIMIQ-Circ é eficiente o suficiente para ultrapassar os simuladores locais, mesmo com latência de rede. É importante ressaltar que os resultados do MIMIQ-Cirq correspondem qualitativamente aos simuladores locais, aumentando a confiança de que ele realmente funciona.

Simulação MPS

Este é o simulador de rede tensorial que supostamente pode simular centenas de qubits. Mas você não pode fazer isso em nenhum outro lugar, então não tenho circuitos quânticos tão grandes por aí. Felizmente, é fácil construir um circuito enorme usando uma sub-rotina chamada Teste SWAP. Então, construí um grande circuito, executei-o, aumentei-o e executei-o novamente até que o MIMIQ-Circ finalmente quebrou.

MIMIQ-Circ processou um circuito de 1401 qubit em pouco menos de 6 minutos.

Em algum lugar entre 1401 e 1421 qubits com algo entre 700 e 710 portas SWAP controladas, o MIMIQ-Circ finalmente começa a retornar erros de tempo de execução. Isso é quase 1400 qubits a mais do que um simulador de computador quântico médio pode suportar.

É importante ressaltar que em pequenas escalas, os resultados do MIMIQ-Circ correspondem qualitativamente aos simuladores locais. Infelizmente, outros simuladores não vão muito longe. No entanto, o teste SWAP é fácil de verificar e o MIMIQ-Circ parece funcionar muito melhor em grandes escalas do que outros simuladores em pequenas escalas.

Simulação local versus latência de rede

Para resolver o problema de latência da rede, que é onde você tem que enviar dados de ida e volta pela Internet, QPerfect disse que está trabalhando em trabalhos em lote, suporte a algoritmos variacionais e um simulador de vetor de estado local de 20 qubits. Pelo que tenho visto, um simulador local deve superar confortavelmente outras alternativas locais. Como bônus, você não terá que enviar seus dados pela Internet, o que nem todo mundo quer fazer.

Conclusão

O MIMIQ-Circ deve ser capaz de simular todos os circuitos quânticos que possamos executar em todos os computadores quânticos existentes hoje, incluindo os mais de 1000 processadores que não estão disponíveis publicamente. Na verdade, o MIMIQ-Circ tem duas vantagens principais sobre esses processadores:

Não há barulho. Na ausência de correção quântica de erros, que não temos em produção, o MIMIQ-Circ deveria ser qualitativamente melhor que os mais de 1000 processadores.
MIMIQ-Circ tem conectividade qubit completa. Embora um dos mais de 1000 processadores tenha potencial para conectividade completa, isso não foi confirmado, e o outro definitivamente não.

Embora eu tenha me concentrado nos testes de estresse do MIMIQ-Circ, é importante reiterar que seus resultados corresponderam qualitativamente aos resultados dos simuladores locais. Nas menores escalas onde outros simuladores podem operar, é fácil confirmar que o MIMIQ-Circ funciona. E em grande escala, os resultados do Teste SWAP são promissores. O MIMIQ-Circ parece ser rápido, preciso e pertence a uma categoria à parte.

Brian N. Siegelcera é um designer independente de algoritmos quânticos e redator freelance para Por dentro da tecnologia quântica. Ele é conhecido por suas contribuições ao campo da computação quântica, particularmente no projeto de algoritmos quânticos. Ele avaliou diversas estruturas, plataformas e utilitários de computação quântica e compartilhou seus insights e descobertas por meio de seus escritos. Siegelwax também é autor e escreveu livros como “Dungeons & Qubits” e “Choose Your Own Quantum Adventure”. Ele escreve regularmente no Medium sobre vários tópicos relacionados à computação quântica. Seu trabalho inclui aplicações práticas de computação quântica, análises de produtos de computação quântica e discussões sobre conceitos de computação quântica.

Categorias:
Computação quântica, pesquisa, Programas

Tags:
Brian Siegel cera, Circ MIMIQ, QPerfeito