Российские физики разработали высокопроизводительный эмулятор 34-кубитного квантового компьютера. Ученые упростили существующие алгоритмы и добились высокой скорости и стабильности вычислений. Программа умещается на небольшом сервере. Ее можно использовать для тестирования и создания квантовых алгоритмов.
Квантовые устройства создаются в единичных экземплярах и решают конкретные задачи, поэтому их нельзя применить для разработки и отладки квантовых алгоритмов. Для этих целей ученые создают квантовые эмуляторы- программы, которые имитируют квантовый процессор на классическом компьютере. При этом физикам приходится делать выбор между универсальностью и объемом памяти. Например, квантовые эмуляторы на основе тензорных сетей позволяют имитировать больше сотни кубитов, но воспроизводят квантовую систему приближенно и поэтому могут решать только узкий класс задач. Эмуляторы на основе векторов состояния хранят все состояния системы, как в квантовом компьютере, но из-за этого выделяемая для них оперативная память растет экспоненциально с увеличением числа кубитов. Задача ученых при создании таких вычислителей - оптимизировать время работы и объем затрачиваемой оперативной памяти.
Для проверки эффективности эмулятора физики протестировали 10 квантовых алгоритмов, среди которых квантовое преобразование Фурье, квантовая нейронная сеть, модель Изинга и другие. Вычисления запускались на одном процессоре Intel® i9-10920X с оперативной памятью 256 гигабайт для разного числа кубитов. Максимальное число кубитов, которое поместилось в память - 34. Все алгоритмы работали корректно, решив соответствующие квантовые задачи. Таким образом, разработанный квантовый эмулятор может точно имитировать средних размеров квантовый компьютер на небольшом сервере.
Ученые планируют добавить вычислительный модуль на графических процессорах GPU для ускорения эмулятора, автоматическое дифференцирование для разработки вариационных алгоритмов. С совершенствованием эмулятора у них появятся новые возможности, но уже сейчас его можно использовать для отладки и разработки квантовых алгоритмов.