[논문 리뷰] Redefining the Quantum Supremacy Baseline With a New Generation Sunway Supercomputer

Xin Liu, Chu Guo외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 01.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 최초의 양자 우월성 과제 중 가장 도전적인 것으로 평가되던 53 큐비트 랜덤 양자 회로에서의 샘플링 과제가 신세대 선웨이 슈퍼컴퓨터에서 맞춤형 텐서 네트워크 수축(TNC) 알고리즘을 사용해 단 440초 만에 완전히 시뮬레이션될 수 있음을 보여준다. 이는 고전적 시스템이 유사한 성능을 달성할 수 있음을 보여주며, 원래의 양자 우월성 주장에 도전하는 동시에, 최대 14 사이클까지의 회로에 대해 정확한 XEB 품질도 검증할 수 있게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최신 슈퍼컴퓨터에서 최신 기술 수준의 고전적 시뮬레이션을 통해 가장 도전적인 양자 우월성 과제를 재평가함으로써 양자 우월성 주장의 타당성을 점검한다.
• 고전적 시스템이 더 이상 처리 불가능하다고 주장된 문제들을 동일하게 시뮬레이션함으로써 벤치마킹의 격차를 해소하고, 고급 고전적 알고리즘과 최상위 수준의 하드웨어를 모두 활용한다.
• 최대 14 사이클까지의 회로에 대해 정확한 XEB 품질을 계산하여 양자 우월성 실험의 일관성을 철저히 검증한다.
• 양자 프로세서와 고전적 컴퓨팅 인프라의 급속한 발전을 고려할 때, 고전적 시뮬레이션 능력의 현재 한계를 평가한다.

제안 방법

• 선웨이 슈퍼컴퓨터 아키텍처에 최적화된 맞춤형 텐서 네트워크 수축(TNC) 알고리즘을 구현하여 랜덤 양자 회로를 효율적으로 시뮬레이션한다.
• 성능 향상을 위해 단정밀도 및 반정밀도 혼합 산술를 활용하면서도 수치적 안정성을 유지한다.
• 메모리 대역폭을 고려한 고도로 병렬화된 TNC 전략을 적용하여 통신 오버헤드를 최소화하고 선웨이 시스템에서의 계산 처리량을 극대화한다.
• Sycamore-20 및 Zuchongzhi-2.0 회로의 전체 랜덤 회로 샘플링 과제를 TNC 알고리즘을 적용하여 고정밀도 결과를 도출한다.
• 정확한 XEB 품질을 계산하기 위해 최대 수백만 개의 비트스트링에 대한 정확한 진폭을 계산하고, 양자 실험에서 추정된 값과 비교한다.
• XEB 품질 공식: $ P_l(x|\mathcal{F}_{\text{XEB}}) = (\mathcal{F}_{\text{XEB}}x + (1 - \mathcal{F}_{\text{XEB}}))e^{-x} $를 사용하여 이론적 Porter-Thomas 분포와 결과를 검증한다. 여기서 $ x = Np $.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 엑사스케일 슈퍼컴퓨터에서 현대적인 시간 프레임 내에 53 큐비트 시카모어 프로세서에서의 랜덤 회로 샘플링 과제를 고전적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 특히 텐서 네트워크 수축을 활용한 고전적 시뮬레이터의 성능이 근접한 양자 프로세서와 얼마나 가까워졌는가?
• RQ3 양자 우월성 실험에서 보고된 추정된 XEB 품질이 정확한 고전적 계산과 비교해 얼마나 정확한가?
• RQ4 고전적 시뮬레이터는 양자 우월성 실험의 일관성과 품질을 검증하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 고메모리 대역폭과 최적화된 TNC 알고리즘을 갖춘 고전적 시스템이 원래의 양자 우월성 주장보다 샘플링 과제에서 슈퍼어드밴티지 성능을 뛰어넘을 수 있는가?

주요 결과

• 신세대 선웨이 슈퍼컴퓨터에서 단정밀도 산술를 사용해 시카모어-20 랜덤 회로 샘플링 과제를 440초 만에 완전히 시뮬레이션했다.
• 혼합 정밀도 산술를 사용하면 동일한 시뮬레이션을 276초 만에 완료하여 수치 최적화로 인한 뚜렷한 성능 향상을 입증했다.
• 가장 도전적인 양자 우월성 과제이자 0.2% 품질로 백만 개의 비트스트링을 생성하는 과제는 선웨이 시스템에서 약 일주일 내에 수행 가능하며, 이는 원래의 양자 우월성 주장에 직접 도전한다.
• Sycamore-12, Sycamore-14, Zuchongzhi 2.0-12에 대해 정확한 XEB 품질을 계산하여 각각 (1.34 ± 0.1)%, (0.73 ± 0.1)%, (0.27 ± 0.1)%의 값을 도출하였으며, 이는 추정된 값과 일치하지만 略로 낮은 편이다.
• 계산된 XEB 품질 하에서 비트스트링 확률 분포가 이론적 Porter-Thomas 분포와 일치하여, 양자 우월성 실험의 일관성을 확인했다.
• 메모리 대역폭 향상과 더 나은 텐서 수축 순서 최적화를 통해 시카모어-20의 시뮬레이션 시간을 약 1.5시간으로 단축할 수 있을 것으로 예측되며, 이는 현재 결과 대비 약 100배의 향상이다.