[論文レビュー] Redefining the Quantum Supremacy Baseline With a New Generation Sunway Supercomputer

Xin Liu, Chu Guo+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、53量子ビットのランダム量子回路からのサンプリングという、量子優位性の最も挑戦的なタスクが、新世代のSunwayスパコンを用いてカスタマイズされたテンソルネットワーク縮約（TNC）アルゴリズムで440秒で完全にシミュレート可能であることを示している。このシミュレーションにより、元の量子優位性の主張が覆され、古典的システムが同等の性能を達成できることを示した一方で、最大14サイクルまでの回路についても正確なXEBfidelityの検証が可能になった。

ABSTRACT

A major milestone in the era of noisy intermediate scale quantum computers is extit{quantum supremacy} [Nature extbf{574}, 505 (2019)] claimed on the Sycamore quantum processor of $53$ qubits, which can perform a random circuit sampling task within $200$ seconds while the same task is estimated to require a runtime of $10,000$ years on Summit. This record has been renewed with two recent experiments on the Zuchongzhi $2.0$ ($56$ qubits) and Zuchongzhi $2.1$ ($60$ qubits) quantum processors. On the other front of quantum supremacy comparison, there has also been continuous improvements on both the classical simulation algorithm as well as the underlying hardware. And a fair justification of the computational advantages for those quantum supremacy experiments would require to practically simulate the same problems on current top supercomputers, which is still in lack. Here we report the full-scale simulations of these problems on new generation Sunway supercomputer, based on a customized tensor network contraction algorithm. Our benchmark shows that the most challenging sampling task performed on Sycamore can be accomplished within $1$ week, thus collapsing the quantum supremacy claim of Sycamore. Additionally, we show that the XEB fidelities of the extit{quantum supremacy circuits} with up to $14$ cycles can be verified in minutes, which also provides strong consistency check for quantum supremacy experiments. Our results redefine quantum supremacy baseline using the new generation Sunway supercomputer.

研究の動機と目的

• 最先端のスパコン上で、量子優位性の最も挑戦的なタスクを完全に古典的シミュレーションすることで、量子優位性の主張を再評価すること。
• 古典的システムが困難であるとされた問題を、高度な古典的アルゴリズムと最高性能のハードウェアを用いて再現することで、ベンチマークのギャップを埋めること。
• 最大14サイクルの回路について、正確なXEBfidelityを計算することで、量子優位性実験の整合性を厳密に検証すること。
• 量子プロセッサと古典的コンputingインfraの急速な進歩を踏まえ、現在の古典的シミュレーション能力の限界を評価すること。

提案手法

• Sunwayスパコンのアーキテクチャに最適化されたカスタマイズされたテンソルネットワーク縮約（TNC）アルゴリズムを実装し、ランダム量子回路の効率的シミュレーションを実現した。
• 数値的安定性を維持しながら性能を向上させるために、単精度と半精度の混合精度演算を活用した。
• 通信オーバーヘッドを最小限に抑え、Sunwayシステムにおける計算スループットを最大化するため、高並列かつメモリ帯域幅に配慮したTNC戦略を採用した。
• Sycamore-20およびZuchongzhi-2.0回路の完全なランダム回路サンプリングタスクにTNCアルゴリズムを適用し、高い精度の結果を得た。
• 最大100万ビットストリングの正確な振幅を計算し、量子実験で得られた推定値と比較するための正確なXEBfidelityを算出した。
• XEBfidelityの公式：$ P_l(x|\mathcal{F}_{\text{XEB}}) = (\mathcal{F}_{\text{XEB}}x + (1 - \mathcal{F}_{\text{XEB}}))e^{-x} $、ここで $ x = Np $ を用いて、理論的ポーターチョムス分布との整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 53量子ビットのSycamoreプロセッサにおけるランダム回路サンプリングという、最も挑戦的な量子優位性タスクは、現代のエクサスケールスパコン上で実用的な時間内に古典的にシミュレート可能か？
• RQ2 特にテンソルネットワーク縮約を用いた古典的シミュレータの性能は、近い将来の量子プロセッサとのギャップをどの程度縮められるか？
• RQ3 量子優位性実験で報告されたXEBfidelityの推定値は、正確な古典的計算と比較してどの程度正確か？
• RQ4 古典的シミュレータは、量子優位性実験の整合性とfidelityを検証する役割を果たすか？
• RQ5 高メモリ帯域幅と最適化されたTNCアルゴリズムを備えた古典的システムは、元の量子優位性の主張を超えるサンプリング性能を発揮できるか？

主な発見

• 新世代のSunwayスパコンを用いて、単精度演算でSycamore-20ランダム回路サンプリングタスクの完全なシミュレーションを440秒で完了した。
• 混合精度演算を用いることで、同じシミュレーションが276秒で完了し、数値最適化による顕著な性能向上を示した。
• 最も挑戦的な量子優位性タスクである、0.2%のfidelityで100万ビットストリングを生成することは、Sunwayシステムで1週間以内に達成可能であり、元の量子優位性主張に直接反論した。
• Sycamore-12、Sycamore-14、Zuchongzhi 2.0-12について正確なXEBfidelityを計算した結果、それぞれ(1.34 ± 0.1)%、(0.73 ± 0.1)%、(0.27 ± 0.1)%の値が得られ、推定値と整合的ではあるがわずかに低かった。
• 計算されたXEBfidelity下でのビットストリング確率分布は、理論的ポーターチョムス分布と一致しており、量子優位性実験の整合性が確認された。
• 著者らは、メモリ帯域幅の向上とより良いテンソル縮約順序の導入により、Sycamore-20のシミュレーション時間を約1.5時間まで短縮可能であると予測しており、現在の結果と比較して100倍の改善が見込まれる。