Neuer Weltrekord für qubit-Simulationen auf JUQUEEN und Sunway TaihuLight

Die Simulation von universellen Quantencomputern (QCs) auf klassischen Digitalrechnern ist eine große Herausforderung. Um die Anzahl der QC-Qubits um eins zu erhöhen, muss der Speicher des Digitalrechners verdoppelt werden. Zum Beispiel wird ein Computer mit etwas mehr als 0,5 Petabyte Speicher benötigt, um den Betrieb einer universellen QC mit 45 QCs genau zu simulieren.

Es gibt nur wenige Computer auf der Welt, die über ausreichend Speicherplatz, Anzahl der Rechenknoten und ein ausreichend leistungsfähiges Netzwerk verfügen, das alle Rechenknoten miteinander verbindet, um solche Simulationen durchzuführen. Das Rechnen mit einem so großen Speicher und so vielen Prozessoren erfordert Software, die die parallele Architektur heutiger Supercomputer effizient nutzen kann.

Kürzlich haben die Forschungsgruppe Quantum Information Processing am JSC und die Arbeitsgruppe Computational Physics der Universität Groningen in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen der Universität Tokio und der Wuhan University ihre Software eingesetzt, um universelle QCs mit 45 QCs auf dem japanischen K-Supercomputer und dem chinesischen SunWay TaihuLight Supercomputer zu simulieren.

Die Software, mit der 2007 universelle QCs mit 36 qubits simuliert wurden, stellte 2010 (42 qubits) und 2012 (43 qubits) Weltrekorde mit JUGENE und JUQUEEN - den IBM Blue Gene/P und Q Computern am JSC - auf. Die Skalierung des Simulationscodes ist nahezu perfekt, was die Software zu einem guten Benchmarking-Tool für das Testen sehr großer Parallelrechner macht.

Die Forschungsteams von JSC, der Wuhan University und der University of Groningen haben nun einen neuen Weltrekord aufgestellt, indem sie auf JUQUEEN und Sunway TaihuLight 46-qubits-Quantenschaltungen simulieren. Für diesen Durchbruch wurde ein adaptives Kodierungsschema erfunden, das den Quantenzustand in Form von 2-Byte- statt 16-Byte-Zahlen darstellt. Benchmarks wie Shor-Algorithmus, Addierer, Quanten-Fourier-Transformationen und Zufallsschaltungen sowie Hadamard- und CNOT-Operationen zeigen, dass die Reduktion des Speichers um den Faktor acht keinen signifikanten Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse hat. Mit dieser neuen Version der Simulationssoftware kann sogar eine 32-qubit-Universal-Quantencomputer auf einem Notebook mit 16 GB Speicher simuliert werden.
(Ansprechpartnerin: Prof. Kristel Michielsen, k.michielsen@fz-juelich.de)

aus JSC News No. 254, 18. Dezember 2017