Сравнение производительности пакетов симуляции квантовых вычислений QuEST и Intel-QS
Автор: Линев Алексей Владимирович, Ведруков Павел Евгеньевич, Куландин Денис Сергеевич, Мееров Иосиф Борисович, Денисов Сергей
Статья в выпуске: 1 т.10, 2021 года.
Бесплатный доступ
В ближайшем будущем появятся квантовые компьютеры, пригодные для практического использования. Разработка квантовых алгоритмов может проводиться с использованием классических компьютеров и специализированного программного обеспечения, позволяющего симулировать работу квантовой схемы. Результаты моделирования могут использоваться для анализа алгоритма, а также способствуют ко-дизайну при разработке квантовых архитектур. Однако при планировании и выполнении численных экспериментов необходимо понимать возможности симуляторов и ограничения на параметры квантовой схемы, накладываемые характеристиками доступных классических вычислительных ресурсов. В работе представлены результаты вычислительных экспериментов по симуляции работы квантовых схем на идеальном квантовом компьютере с использованием пакетов QuEST и Intel-QS, а также собственной «наивной» реализации. Показаны ограничения на размер моделируемой квантовой системы N при использовании вычислительных систем различного класса - виртуальной машины, вычислительного сервера, вычислительного сервера с графическим ускорителем, суперкомпьютера (маскимальный достигнутый размер N = 33). Приведены характеристики производительности и масштабируемости рассматриваемых реализаций на общей и распределенной памяти (наблюдаемая эффективность масштабирования - 30 % и 70 % соответственно). Для пакета QuEST и собственной реализации представлена производительность при использовании графических сопроцессоров.
Вычислительная квантовая физика, квантовые алгоритмы, высокопроизводительные вычисления
Короткий адрес: https://sciup.org/147234288
IDR: 147234288 | DOI: 10.14529/cmse210104
Список литературы Сравнение производительности пакетов симуляции квантовых вычислений QuEST и Intel-QS
- Mermin N.D. Quantum computer science: an introduction. Cambridge University Press, 2007. 233 p.
- Trieu D.B. Large-scale simulations of error prone quantum computation devices. Forschungszentrum Jülich, 2010. Vol. 2. 173 p.
- Wiki Q. List of QC simulators. 2015. URL: https://quantiki.org/wiki/list-qc-simulators (дата обращения: 01.09.2020).
- Green A.S., Lumsdaine P.L., Ross N.J., et al. Quipper: a scalable quantum programming language // Proceedings of the 34th ACM SIGPLAN conference on Programming language design and implementation. 2013. P. 333-342. DOI: 10.1145/2491956.2462177.
- Cross A.W., Bishop L.S., Smolin J.A., et al. Open quantum assembly language // arXiv preprint. 2017. arXiv:1707.03429.
- Svore K., Geller A., Troyer M., et al. Q# Enabling Scalable Quantum Computing and Development with a High-level DSL // Proceedings of the Real World Domain Specific Languages Workshop 2018. 2018. P. 1-10. DOI: 10.1145/3183895.3183901.
- Abhari A.J., Faruque A., Dousti M.J., et al. Scaffold: Quantum programming language. Princeton Univ NJ Dept of Computer Science, 2012. 43 p.
- Jones T., Brown A., Bush I., et al. Quest and high performance simulation of quantum computers // Scientific reports. 2019. Vol. 9, no. 1. P. 1-11. DOI: 10.1038/s41598-019-47174-9.
- Guerreschi G.G., Hogaboam J., Baruffa F., et al. Intel Quantum Simulator: A cloud-ready high-performance simulator of quantum circuits // Quantum Science and Technology. 2020. Vol. 5, no. 3. P. 034007. DOI: 10.1088/2058-9565/ab8505.
- Smelyanskiy M., Sawaya N.P.D., Aspuru-Guzik A. qHiPSTER: the quantum high performance software testing environment // arXiv preprint. 2016. arXiv:1601.07195.
- Aleksandrowicz G., Alexander T., Barkoutsos P., et al. Qiskit: An open-source framework for quantum computing. 2019. DOI: 10.5281/zenodo.2562110.
- Amy M., Gheorghiu V. staq-A full-stack quantum processing toolkit // Quantum Science and Technology. 2020. Vol. 5, no. 3. P. 034016. DOI: 10.1088/2058-9565/ab9359.
- Häner T., Steiger D.S. 5 petabyte simulation of a 45-qubit quantum circuit // Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. 2017. P. 1-10. DOI: 10.1145/3126908.3126947.
- Pednault E., Gunnels J.A., Nannicini G., et al. Breaking the 49-qubit barrier in the simulation of quantum circuits // arXiv preprint. 2017. arXiv:1710.05867.
- Pednault E., Gunnels J., Maslov D., et al. On "Quantum Supremacy". 2019. URL: https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy (дата обращения: 01.09.2020).
- Chen Z.Y., Zhou Q., Xue C., et al. 64-qubit quantum circuit simulation // Science Bulletin. 2018. Vol. 63, no. 15. P. 964-971. DOI: 10.1016/j.scib.2018.06.007.
- Arute F., Arya K., Babbush R., et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor // Nature. 2019. Vol. 574, no. 7779. P. 505-510. DOI: 10.1038/s41586-019-1666-5.
- Google AI Blog: A Preview of Bristlecone, Google's New Quantum Processor. URL: https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html (дата обращения: 01.09.2020).
- The D-Wave 2000Q™ System. URL: https://www.dwavesys.com/d-wave-two-system (дата обращения: 01.09.2020).
- de Avila A.B., Reiser R.H., Pilla M.L., et al. State-of-the-art quantum computing simulators: Features, optimizations, and improvements for D-GM // Neurocomputing. 2020. Vol. 393. P. 223-233. DOI: 10.1016/j.neucom.2019.01.118.
- Haner T., Steiger D.S., Smelyanskiy M., et al. High performance emulation of quantum circuits // Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis, SC'16. IEEE, 2016. P. 866-874. DOI: 10.1109/SC.2016.73.
- GitHub — QuEST-Kit/QuEST: A multithreaded, distributed, GPU-accelerated simulator of quantum computers. URL: https://github.com/QuEST-Kit/QuEST (дата обращения: 01.09.2020).
- GitHub — iqusoft/intel-qs: High-performance simulator of quantum circuits. URL: https://github.com/iqusoft/intel-qs (дата обращения: 01.09.2020).
- Voevodin Vl.V., Antonov A.S., Nikitenko D.A., et al. Supercomputer Lomonosov-2: large scale, deep monitoring and fine analytics for the user community // Supercomputing Frontiers and Innovations. 2019. Vol. 6, no. 2. P. 4-11. DOI: 10.14529/jsfi190201.
