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Computer quantistici vs supercomputer tradizionali. Chi è il più veloce? Ce lo dirà un benchmark

Un benchmark per i computer quantistici ci dirà quando i supercomputer tradizionali diventeranno obsoleti e i bit cederanno il passo ai qubit.

Due volte l’anno esce la TOP500, la classifica che mette in fila i supercomputer più potenti al mondo. In vetta c’è Summit, un sistema statunitense situato presso l’Oak Ridge National Laboratory del Tennessee, capace di 200 petaflops di picco teorici e 143 petaflops massimi acclarati.

Per determinare questi valori viene usato un benchmark chiamato Linpack, che è una collezione di subroutine di Fortran che risolvono una gamma di equazioni lineari. Il tempo richiesto per risolvere tali equazioni permette di avere un dato sulla potenza di calcolo del supercomputer.

L’uso di questo benchmark ha sollevato non poche polemiche negli anni. Le architetture dei supercomputer sono in genere ottimizzate per risolvere problemi specifici, e molti hanno poco a che fare con le sfide imposte da Linpack. I computer quantistici, ad esempio, sono completamente inadatti a risolvere i calcoli richiesti da Linpack.

Nasce quindi un problema: come determinare la potenza di un computer quantistico e capire se è effettivamente migliore di un classico supercomputer? Per dare una risposta al quesito, Benjamin Villalonga del Quantum Artificial Intelligence Lab del NASA Ames Research Center di Mountain View e un gruppo di colleghi (tra cui quelli di Google) hanno sviluppato un benchmark che funziona su supercomputer classici e sistemi quantistici al fine di confrontare le loro prestazioni. L’obiettivo è capire quando si arriverà alla supremazia quantistica, ossia quando i computer quantistici saranno più potenti dei “sistemi” tradizionali. Lo studio è disponibile a questo indirizzo.

I ricercatori della NASA e di Google hanno creato un algoritmo chiamato qFlex che simula circuiti quantistici casuali su un supercomputer tradizionale. Il team ha usato il nuovo test registrando sul supercomputer Summit un valore di 281 petaflops, che è quindi il risultato da battere, almeno per ora.

Il test simula l’evoluzione del caos quantistico usando circuiti quantistici casuali. I computer quantistici possono farlo perché il processo non richiede una potente correzione degli errori, ed è relativamente semplice filtrare i risultati sopraffatti dal rumore. Anche i supercomputer tradizionali possono simulare il caos quantistico, ma la potenza di calcolo tradizionale richiesta per farlo aumenta esponenzialmente con il numero di qubit coinvolti.

Due anni fa, i fisici hanno determinato che sono necessari computer quantistici con 50 qubit per raggiungere la supremazia quantistica sui supercomputer tradizionali. I paletti sono però in costante movimento, dato che nei giorni scorsi abbiamo parlato di Frontier, un sistema che nel 2021 raggiungerà 1,5 exaflops.

Essere sempre in grado di confrontare i supercomputer con i computer quantistici emergenti è quindi sempre più importante. qFlex sembra (per ora) la soluzione migliore: lo scorso anno è stato usato per simulare e rilevare le prestazioni del processore quantistico Google Bristlecone con 72 qubit. Per farlo, i ricercatori hanno usato un supercomputer presso il NASA Ames con una potenza di 20 petaflops.

Adesso hanno dimostrato che il supercomputer Summit può simulare le prestazioni di un computer quantistico molto più grande. “Su Summit siamo riusciti a raggiungere una prestazione sostenuta di 281 Pflop/s (con calcoli a singola precisione) sull’intero supercomputer, simulando circuiti a 49 e 121 qubit”.

121 qubit vanno oltre la capacità di qualsiasi computer quantistico attuale, quindi i supercomputer tradizionali rimangono un passo avanti in termini “generali”, ma come fanno notare sulla rivista del MIT “è una gara che sono destinati a perdere”, dato che nei prossimi anni vedremo computer quantistici con oltre 100 qubit.

Lo stesso MIT rileva che “il fattore limitante per i nuovi supercomputer non è più l’hardware, ma l’energia richiesta”. Summit richiede già 14 megawatt. È abbastanza per illuminare un’intera città di medie dimensioni. “Far scalare un tale sistema di 10 volte richiederebbe 140 MW di potenza, il che sarebbe proibitivo”, ha aggiunto Villalonga.

Di contro i computer quantistici sono più efficienti, con una richiesta energetica principalmente legata al raffreddamento dei componenti superconduttivi. Il processore Google Bristlecone da 72 qubit richiede 14 kilowatt e l’incremento dei qubit non dovrebbe influenzare significativamente tale numero.