Weltrekord: Quantencomputer mit 46 Qubits simuliert

  • 29. December 2017

Deutsche und chine­si­sche For­scher setzen welt­weit schnells­ten Su­per­com­pu­ter ein.

Wenn künftig die ersten praktisch anwendbaren Quantencomputer verfügbar sein werden, müssen Software-Entwickler und Ingenieure nicht bei Null anfangen. Auf herkömmlichen digitalen Computern lässt sich bereits heute die Funktionsweise relativ großer Quantenrechner simulieren. Der Rechenaufwand ist allerdings enorm. Mit jedem simulierten Quantenbit verdoppelt sich der Bedarf an Speicherplatz.

Prof. Dr. Kristel Michielsen vor dem Jülicher Superrechner JUQUEEN (Bild: FZJülich / R.-U. Limbach)

Abb.: Prof. Dr. Kris­tel Michi­el­sen vor dem Jü­li­cher Su­per­rech­ner JUQUEEN (Bild: FZ­Jülich / R.-U. Lim­bach)

„Es gibt derzeit nur wenige Super­computer auf der Welt, die über einen derart großen Speicher, ausreichend Rechen­kerne und ange­messen schnelle Netz­werk­ver­bin­dungen verfügen, um selbst ein System von 45 Qubits – das war der bishe­rige Welt­rekord – zu simulieren“, erläutert Kristel Michi­elsen vom Jülich Super­computing Centre, JSC. „Ebenso wichtig ist es auch, die Soft­ware effizient auf den hoch­paral­lelen Archi­tekturen moderner Super­rechner zum Laufen zu bringen.“

Viele Codes verlieren an Effizienz, wenn die Berech­nung parallel auf einer Vielzahl von Rechenknoten erfolgt. Die von Michielsen gemein­sam mit ihren Partnern seit über zehn Jahren weiter­ent­wickelte Soft­ware skaliert dagegen nahezu perfekt: Sie zeigt selbst dann kaum Perfor­mance-Ein­bußen, wenn wie im Fall des Super­rechners Sunway TaihuLight am chine­si­schen National Supercomputing Center in Wuxi mehrere Mil­lionen Rechen­kerne gleich­zeitig zum Ein­satz kommen.

Schon in der Vergangenheit konnte Michi­elsen mehrere Best­marken erzielen. 2010 simu­lierte sie als Erste einen Quanten­computer mit 42 Qubits auf dem dama­ligen Jüli­cher Super­rechner JUGENE. Ein Weltrekord, den sie 2012 mit der Simulation eines 43-Qubit-Systems auf dessen Nach­folger JUQUEEN, noch übertraf. Zuletzt hatte sie gemeinsam mit Partnern der Univer­sitäten in Groningen, Tokio und Wuhan ein Quanten­system mit 45 Qubits simu­liert und damit einen Rekord aus dem Früh­jahr 2017 einge­stellt. Dafür waren etwas mehr als eine halbe Million Giga­byte – also ein halbes Petabyte – Speicher­platz erfor­der­lich.

Dem neuerlichen Durchbruch, der Simulation eines Quanten­compu­ters mit 46 Qubits, ging eine Anpas­sung des Codes voraus. Die Dar­stel­lung von Quanten­zuständen benötigt nun nur noch jeweils 2 statt 16 Byte, ohne dass sich die Genauigkeit der Ergeb­nisse signi­fikant verringert. Von der Verein­fachung, die einer Verringerung des Speicher­bedarfs um den Faktor acht gleich­kommt, können auch andere Anwender profi­tieren. Die neue Version des Simula­tions­soft­ware ermöglicht es nun, einen Quanten­computer mit 32 Qubits auf einem Notebook mit 16 Giga­byte Arbeits­speicher zu simulieren.

Wissenschaftler nutzen derartige Simulationen, um heute schon Algo­rithmen für künftige Quanten­rechner zu entwickeln und auf relativ großen Quanten­computern zu testen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei den simulierten Quanten­computern um ideale Quanten­systeme, die sich exakt so verhalten, wie es durch die Regeln der Quanten­mechanik vorhergesagt wird. Darüber hinaus lassen sich mittels einfacher Fehler-Modelle aber künst­lich Störungen erzeugen, wie sie in der Realität auch von einem echten Quanten­computer zu erwarten wären. Die Instabilität der Qubits ist eines der größten Probleme bei der Entwicklung von prak­tisch anwendbaren Quantenrechnern – deren Korrek­tur Forscher und Entwickler in entspre­chenden Simula­tionen heute schon unter Ideal­beding­ungen erproben können.

FZJ / OD

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