Fujitsu ha anunciado el desarrollo de una novedosa técnica en un simulador cuántico que acelera los algoritmos híbridos cuántico-clásicos, que se han propuesto como método para el uso temprano de los ordenadores cuánticos, alcanzando una velocidad de cálculo 200 veces superior a la de simulaciones anteriores. En el caso de los cálculos de circuitos cuánticos mediante algoritmos híbridos cuánticos y clásicos convencionales, el número de veces de cálculo de circuitos cuánticos aumenta en función de la escala del problema a resolver. Los problemas a mayor escala que requieren muchos qubits, incluidas las simulaciones en los campos de los materiales y el descubrimiento de fármacos, pueden requerir incluso varios cientos de días.
La tecnología recién desarrollada permite procesar simultáneamente un gran número de cálculos de circuitos cuánticos ejecutados repetidamente y distribuidos entre varios grupos. Fujitsu también ha ideado una forma de simplificar problemas a gran escala con menor pérdida de precisión utilizando uno de los simuladores cuánticos a mayor escala del mundo (1) que ha desarrollado. Fujitsu ha hecho posible realizar en un solo día cálculos en un simulador cuántico que con los métodos convencionales tardarían unos 200 días. Como resultado, ahora es posible completar simulaciones de computación cuántica a gran escala en un plazo realista y simular el comportamiento de moléculas más grandes calculadas mediante un algoritmo híbrido cuántico-clásico, lo que conduce al desarrollo de algoritmos.
Fujitsu planea incorporar esta tecnología a su plataforma de computación cuántica híbrida para acelerar la investigación sobre la aplicación práctica de los ordenadores cuánticos en diversos campos, como las finanzas y el descubrimiento de fármacos. Además, Fujitsu no sólo aplicará esta tecnología a los simuladores cuánticos, sino también para acelerar los cálculos de circuitos cuánticos en ordenadores cuánticos reales.
Antecedentes
Aunque el desarrollo de ordenadores cuánticos tolerantes a fallos (FTQC (2) ) progresa actualmente en todo el mundo, los ordenadores cuánticos actuales se enfrentan a muchos problemas como la incapacidad de eliminar los efectos del ruido. Al mismo tiempo, para demostrar la utilidad de los ordenadores cuánticos antes que los FTQC, se están estudiando aplicaciones prácticas para ordenadores cuánticos de tamaño pequeño y mediano (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer, NISQ) con una tolerancia al ruido de 100 a 1.000 qubits. Mediante la aplicación de VQE (3), un algoritmo típico de NISQ, Fujitsu, por ejemplo, ha desarrollado un simulador cuántico para el desarrollo de aplicaciones cuánticas (4) y ha estado trabajando para acelerar el propio cálculo de circuitos cuánticos. Sin embargo, en VQE, el número de iteraciones del cómputo del circuito cuántico aumenta a medida que lo hace el tamaño del problema, por lo que se tarda mucho tiempo en realizar el cómputo, especialmente para problemas grandes que requieren muchos qubits, y se estima que un simulador cuántico tarda varios 100 días. Por tanto, resultaba difícil desarrollar algoritmos cuánticos de uso práctico.
Esquema de la nueva tecnología desarrollada
En respuesta a este problema, Fujitsu ha desarrollado una tecnología que alcanza una velocidad de rendimiento 200 veces superior a la de las tecnologías convencionales mediante la distribución simultánea de múltiples cómputos de circuitos cuánticos ejecutados repetidamente y la reducción de la cantidad de cómputos de circuitos cuánticos mediante la reducción de la degradación de la precisión.
Concurrencia distribuida de procesos de optimización que requieren el cómputo repetido de circuitos cuánticos
Los algoritmos híbridos cuántico-clásicos buscan un circuito cuántico que proporcione el estado de energía más bajo, por ejemplo, el estado fundamental de una molécula, alternando entre el proceso de realizar el cálculo del circuito cuántico y el proceso de optimizar los parámetros del circuito cuántico (5) utilizando un ordenador clásico. Sin embargo, para la optimización de los parámetros de los circuitos cuánticos mediante ordenadores clásicos, es necesario preparar un gran número de circuitos cuánticos con pequeños cambios en los parámetros, realizar el cálculo del circuito cuántico para todos ellos de forma secuencial y deducir los parámetros óptimos a partir de los resultados. Esto requiere un tiempo de cálculo considerable, especialmente para problemas de gran escala. Aumentar el número de nodos simplemente para acelerar el cálculo de los circuitos se ha visto limitado por la sobrecarga de comunicación, por lo que se necesitaban nuevas tecnologías.
Centrándose en el hecho de que los circuitos cuánticos con pequeños cambios de parámetros pueden ejecutarse sin afectarse entre sí, Fujitsu ha desarrollado una tecnología de procesamiento distribuido que permite a cada grupo ejecutar diferentes circuitos cuánticos dividiendo los nodos de computación del simulador cuántico en múltiples grupos y utilizando la tecnología RPC (6) para enviar trabajos de computación de circuitos cuánticos a través de la red. Gracias a esta tecnología, se pueden distribuir y calcular simultáneamente múltiples circuitos cuánticos con diferentes parámetros, y el tiempo de cálculo se puede reducir a 1/70 de la tecnología convencional. Además, dado que la cantidad de cálculo en el algoritmo híbrido cuántico-clásico es proporcional al número de términos en la ecuación del problema a resolver y el número de términos es la cuarta potencia del número de qubits en el VQE general, la cantidad de cálculo aumenta a medida que aumenta la escala del problema, y el resultado no puede obtenerse en un tiempo realista. Mediante simulaciones de grandes moléculas utilizando 32 qubits de uno de los simuladores cuánticos de 40 qubits más grandes del mundo, Fujitsu ha descubierto que la proporción de términos con coeficientes pequeños respecto al número total de términos aumenta a medida que lo hace la escala, y que el efecto de los términos con coeficientes pequeños en los resultados finales de los cálculos es mínimo. Aprovechando esta característica, Fujitsu ha podido conseguir tanto una reducción del número de términos de la ecuación como evitar el deterioro de la precisión del cálculo, reduciendo así el tiempo de cálculo del circuito cuántico en aproximadamente un 80%.
Combinando estas dos tecnologías, Fujitsu pudo demostrar por primera vez en el mundo que, al distribuir el procesamiento de 1024 nodos de cálculo en 8 grupos para un problema de 32 qubits, era posible conseguir un tiempo de ejecución de simulación cuántica de 32 qubits en un día, frente a la estimación anterior de 200 días. Con ello se espera avanzar en el desarrollo de algoritmos cuánticos para problemas con un gran número de qubits y en la aplicación de los ordenadores cuánticos a los campos de los materiales y las finanzas.
Yukihiro Okuno, Investigador Científico Senior del Centro de Tecnología de Análisis de Fujifilm Corporation, comenta: «Estamos investigando la aplicación de los ordenadores cuánticos al desarrollo de materiales. Entre ellas, el uso de VQE en dispositivos NISQ es una consideración esencial. Esperamos que esta tecnología de aceleración acelere enormemente la verificación del principio del algoritmo VQE». Tsuyoshi Moriya, Vicepresidente del Centro de Diseño Digital de Tokyo Electron Limited, comenta: «Estamos estudiando el uso de VQE para calcular la energía de las moléculas relacionadas con los materiales semiconductores, predecir la estructura electrónica y las propiedades físicas de materiales específicos y optimizar las reacciones químicas en los procesos de fabricación de semiconductores. Esperamos que la aceleración de este proceso nos permita verificar rápidamente el principio y la eficacia del algoritmo VQE y descubrir su utilidad. Los dispositivos NISQ cuyo uso está limitado por el ruido y los errores se estudiarán teniendo en cuenta estas limitaciones».
