21 сентября
Сколтех
6

В Сколтехе выявили ограничения квантового процессора Google с помощью суперкомпьютера

4.7

Специалисты Лаборатории квантовой обработки информации Центра фотоники и квантовых материалов совместно с группой суперкомпьютерных вычислений Центра по научным и инженерным вычислительным технологиям (CDISE), разработавшей суперкомпьютер «Жорес», создали эмуляцию вычислений на квантовом процессоре Google.

Суперкомпьютер “Жорес” / ©Getty images

Суперкомпьютер воспроизводил данные без характерных ошибок, связанных с реализацией физических экспериментов, но со статистическим распределением, аналогичным тем, которые были продемонстрированы в ходе недавних экспериментов Google. В своем численном эксперименте группа сумела указать на определенный скрывающийся в результатах Google эффект, получивший название «дефицит достижимости» и описанный ранее командой ученых из Сколтеха.

Полученные числовые значения подтверждают, что данные Google находятся на грани так называемой лавины, при попадании в которую решения задачи с заданными ресурсами достичь невозможно. Специалисты Сколтеха выявили единственный необходимый и достаточный критерий, позволяющий предсказать попадание в лавину, называемый «плотностью» переменных. При плотности, характерной для практических задач, решение потребует значительно больше квантовых ресурсов для выполнения квантовой приближенной оптимизации. Результаты опубликованы в ведущем отраслевом журнале Quantum.

С самого начала эпохи численных вычислений наибольшую сложность для эмуляции представляли квантовые системы, хотя конкретные причины этого феномена остаются предметом исследований. Однако эта сложность, связанная с эмуляцией квантовой системы на классическом компьютере, сподвигла некоторых ученых изменить свои подходы.

В начале 1980-х годов такие ученые, как Ричард Фейнман и Юрий Манин, выдвинули предположение, что те неизвестные компоненты, отсутствие которых затрудняет эмуляцию квантовой системы на классическом компьютере, могут в свою очередь быть использованы как вычислительный ресурс. Например, квантовый процессор будет отлично подходить для моделирования квантовых систем, поскольку его работа основывается на тех же принципах.

Эти ранние идеи подтолкнули Google и других технологических гигантов к созданию первых прототипов долгожданных квантовых процессоров. Существующие сегодня версии этих устройств подвержены ошибкам и могут выполнять только простейшие квантовые программы, при этом каждое вычисление должно повторяться несколько раз, чтобы путем усреднения исключались ошибки и формировались приближенные величины.

Одна из наиболее исследуемых областей применения современных квантовых процессоров — квантовый приближенный алгоритм оптимизации (QAOA). В ходе ряда впечатляющих экспериментов специалисты Google использовали свой квантовый процессор для оценки возможностей квантовых вычислений. Для этого была написана программа QAOA, использующая 23 кубита квантового процессора Google Sycamore и три временных шага по настройке параметров оптимизации.

По сути, QAOA представляет собой подход к решению задачи оптимизации функции многих переменных посредством аппроксимации на гибридной системе, состоящей из классического компьютера и квантового сопроцессора. В настоящее время прототипы квантовых процессоров, такие как Google Sycamore, обладают весьма ограниченным потенциалом, так как каждая операция вносит неточность из-за физических шумов в устройстве. Ожидается, что гибридные системы позволят преодолеть некоторые из этих систематических ограничений и в полной мере воспользоваться преимуществами квантовых компьютеров, что повышает привлекательность таких подходов, как QAOA.

Недавно ученые из Сколтеха сделали ряд открытий в отношении QAOA. Вы можете ознакомиться с подробной информацией о них здесь. Среди них особенно выделяется эффект, который принципиально ограничивает применимость QAOA. Согласно результатам, плотность переменных в задаче оптимизации, то есть соотношение соответствующих ограничений и переменных, является основным фактором, препятствующим получению приближенных решений.

Чтобы преодолеть эти ограничения производительности, требуются дополнительные ресурсы, то есть дополнительные операции, выполняемые на квантовом сопроцессоре. Эти открытия были сделаны в теории с использованием численных экспериментов ограниченного объема. Ученые хотели проверить, возникал ли выявленный ранее эффект в недавнем исследовании Google.

Специалисты лаборатории квантовых алгоритмов Сколтеха обратились к группе суперкомпьютерных вычислений в центре CDISE, которую возглавляет Олег Панарин, с просьбой предоставить вычислительные мощности для эмуляции квантового чипа Google. Старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Игорь Захаров совместно с коллегами приступил к модернизации существующего программного обеспечения, что позволило бы выполнять на суперкомпьютере «Жорес» параллельные вычисления.

Спустя несколько месяцев группа смогла создать эмуляцию, которая выводила данные с тем же статистическим распределением, что и у Google, и продемонстрировать диапазон реализации численных экспериментов с различной плотностью переменных, при которых производительность QAOA резко снижается. Они также обнаружили, что данные Google располагаются на границе этого диапазона, в его пределах текущий уровень развития квантовых компьютеров не позволяет получить какие-либо преимущества.

Сначала команда из Сколтеха определила, что дефициты достижимости (ограничения производительности, вызванные определенным значением плотности, то есть соотношением ограничений и переменных в задаче), наблюдались в отношении так называемой задачи максимального удовлетворения ограничений. В Google решали иную, но смежную задачу по функции минимизации энергии графа. Поскольку эти задачи относились к одному классу сложности, группа сделала предположение, что сами задачи, а следовательно, и эффекты могут быть взаимосвязаны.

Это предположение оказалось верным. Были собраны данные, и результаты отчетливо продемонстрировали, что дефициты достижимости создают лавинный эффект и данные Google находятся на той тонкой грани, после которой потребуются более мощные и длинные цепи QAOA, которые не могут быть реализованы на квантовом процессоре Google Sycamore.

Олег Панарин, менеджер по информационным сервисам и обработке данных в Сколтехе, заявил: «Мы рады видеть, что наш компьютер позволил получить такие грандиозные результаты. Проект был сложным и занял много времени. И мы тесно сотрудничали с Лабораторией квантовой обработки информации по его реализации. Мы считаем, что этот проект станет основой для будущих исследований в этой области с использованием суперкомпьютера „Жорес“».

Игорь Захаров, старший научный сотрудник Сколтеха, добавил: «Мы взяли код ведущего автора данного исследования Акшайа Вишванатана и создали на его основе программу, выполняющуюся параллельно. Разумеется, мы были в восторге, когда наконец увидели данные с той же статистикой, что была у Google. В рамках этого проекта мы создали программный пакет, способный эмулировать различные современные квантовые процессоры до 36 кубитов и дюжины слоев».

Акшай Вишванатан, аспирант Сколтеха, рассказывает: «В свое время преодолеть предел в несколько кубитов и слоев в QAOA было очень сложно. Разработанная нами программа эмуляции могла обрабатывать только упрощенные модели, и сначала я думал, что, хотя этот проект и являет собой увлекательную задачу, он может оказаться невыполнимым. К счастью, меня окружали оптимистичные и увлеченные своим делом коллеги, что мотивировало меня довести дело до конца и воспроизвести данные Google на суперкомпьютере в Сколтехе. Конечно, было очень волнительно, когда наши данные совпали с данными Google и мы получили то же статистическое распределение, что позволило обнаружить этот эффект». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Позавчера, 16:33
Елена Синицкая

На днях израильский ныряльщик обнаружил на дне Средиземного моря у Хоф-ха-Кармель древние предметы, среди которых оказался меч удивительной сохранности. По мнению специалистов Израильского управления древностей, железный меч с клинком около одного метра и 30-сантиметровой рукоятью принадлежал крестоносцу и датируется XII веком.

Вчера, 11:56
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

6 часов назад
Мария Азарова

Международный коллектив ученых выявил новый биомаркер, который может стать предиктором тяжести коронавирусного заболевания.

Позавчера, 16:33
Елена Синицкая

На днях израильский ныряльщик обнаружил на дне Средиземного моря у Хоф-ха-Кармель древние предметы, среди которых оказался меч удивительной сохранности. По мнению специалистов Израильского управления древностей, железный меч с клинком около одного метра и 30-сантиметровой рукоятью принадлежал крестоносцу и датируется XII веком.

15 октября
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

Вчера, 11:56
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

6 Комментариев

4 недели назад
-
0
+
В сколтехе снова занимаются фигней над косяками гугла,лучшеб полезными вычислениями занялись.
4 недели назад
-
0
+
Смотрим дружно сериал "Разрабы". Будет интересно и как раз в тему.
4 недели назад
-
0
+
В общем, квантовые компьютеры по-прежнему являются сверхдорогими игрушками. По-видимому, уровень развития технологий человека на данный момент времени не позволяет пока создать настоящий квантовый компьютер.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: