Surpriză Surpriză: Un supercomputer rapid îl învinge pe Sycamore

Abstract

• Cercetătorii de la Laboratorul de Inteligență Artificială din Shanghai din China au demonstrat că sistemul lor de calcul clasic poate efectua calcule complexe mai rapid și mai eficient din punct de vedere energetic decât dispozitivul Sycamore de la Google.
• Echipa și-a folosit dispozitivul clasic pentru a aborda o sarcină similară cu cea făcută celebră de experimentul de supremație cuantică de la Google din 2019.
• Experții subliniază că rezultatele experimentului demonstrează necesitatea de a evalua cu atenție afirmațiile privind avantajele cuantice și de a conduce continuu inovarea în calculul clasic și cuantic.

Un computer clasic a reușit să depășească un computer cuantic la o sarcină care odată era considerată potrivită doar pentru o mașină cuantică. Cercetătorii de la Laboratorul de Inteligență Artificială din Shanghai, China, au demonstrat că sistemul lor de calcul clasic, care se bazează pe peste 2.300 de unități de procesare grafică Nvidia A100, poate efectua un calcul complex mai rapid și cu o eficiență energetică mai mare decât procesorul cuantic Sycamore al companiei. Google.

Deși poate părea o luptă regală între computerele clasice, supercomputere și computerele cuantice, câștigătorul împărtășind totul, oamenii de știință spun că acesta este genul de inovație necesar pentru a declanșa concurența și pentru a stimula o inovație mai mare pentru toate abordările computaționale.

Confruntare decisivă, nu lenevie

În 2019, computerul cuantic Sycamore de la Google a făcut titluri de atenție, obținând așa-numita supremație cuantică, efectuând un calcul în 200 de secunde, care a durat cel mai rapid supercomputer din lume – la acea vreme – 10.000 de ani pentru a fi finalizat. Realizarea a fost salutată ca un moment de referință care a demonstrat că este posibil ca computerele cuantice să rezolve probleme dincolo de sfera sistemelor clasice.

Dar ideea de supremație cuantică poate da impresia inexactă că inovațiile în designul hardware clasic, algoritmii și alte tehnologii vor rămâne constante. Într-adevăr, progresele rapide în algoritmii și hardware-ul de calcul clasici au redus decalajul de atunci.

Într-un studiu recent publicat în serverul de preprintare arXivCercetătorii conduși de Rong Fu au obținut rezultate impresionante folosind puterea calculului clasic. Sistemul lor a reușit să finalizeze o sarcină de calcul – simularea și eșantionarea circuitelor cuantice aleatorii (RQC), similar experimentului de superioritate al Google – în doar 14,22 secunde, consumând 2,39 kilowați-oră (kWh) de energie.

Într-o altă configurație, au reușit să efectueze aceeași sarcină în 17,18 secunde în timp ce consumau doar 0,29 kWh.

Hardware-ul din spatele realizării

Potrivit lucrării, sistemul de calcul clasic a folosit peste 2.300 de GPU-uri Nvidia A100, unele dintre cele mai avansate cipuri de computer clasice disponibile, interconectate pentru a crea un sistem de procesare masiv paralel. Echipat cu 80 GB de memorie și o performanță maximă a nucleului FP16 Tensor de 312 teraflops (TFLOPS), fiecare GPU A100 a jucat un rol critic în gestionarea calculului. GPU-urile din fiecare nod au fost conectate prin NVLink, oferind o viteză unidirecțională de 300 GB/s, în timp ce nodurile au fost conectate prin InfiniBand cu o viteză unidirecțională de 100 GB/s.

Această configurație a permis cercetătorilor să depășească limitările de memorie și blocajele computaționale asociate de obicei cu simularea rețelelor tensorale la scară largă. Prin implementarea unei scheme paralele pe trei niveluri și a unei abordări hibride de comunicare, acestea au redus în mod semnificativ costul general de gestionare a tensoarelor mari, obținând scalabilitate și eficiență fără precedent. Pentru claritate, o topologie paralelă pe trei niveluri implică fiecare nod care prelucrează o parte a sarcinii în mod independent (la nivel de nod), mai multe procesoare sau GPU-uri din fiecare nod care lucrează împreună (nivel intra-nod) și diferite noduri care se coordonează pentru a-și combina rezultatele ( nivel inter-nod).

Rezultatele echipei din Shanghai contestă afirmația inițială a Google de superioritate cuantică. Dispozitivul Sycamore de la Google și-a finalizat misiunea în 600 de secunde, cu un consum de energie de 4,3 kilowați-oră. În schimb, sistemul clasic nu numai că a finalizat sarcina mai repede, dar a folosit și mai puțină putere, evidențiind potențialul computerelor clasice de a ține pasul cu sistemele cuantice și chiar de a depăși performanța sistemelor cuantice în anumite condiții.

Articolul în lume noua Oferă context suplimentar: Potrivit lui Christopher Monroe de la Universitatea din Maryland, afirmațiile de superioritate cuantică sunt adesea „exagerate”, iar valoarea reală a computerelor cuantice va veni din aplicații practice care servesc utilizatorilor, indiferent dacă sarcini similare pot fi efectuate pe baza clasică. masini.

„Nu este surprinzător că există cazuri misterioase în care un sistem cuantic programabil poate rezolva unele probleme pe care nu le putem rezolva folosind computere obișnuite”, îi spune Munro pentru New Scientist calculatoare cuantice pentru unele aplicații – chiar dacă se poate face folosind computere obișnuite.”

„Lucrarea din 2019 iese în evidență prin faptul că a fost un rezultat superior bazat pe metodele clasice cunoscute la acea vreme”, a declarat Josh Nunn de la startup-ul de calcul cuantic Orca Computing pentru revista.

El a subliniat că cursa înarmărilor dintre mașinile cuantice și cele clasice are valoare în stimularea inovației. Totuși, el a mai menționat că fiecare pretenție de superioritate și cererile reconvenționale ulterioare trebuie analizate cu atenție pentru a se asigura că capacitățile tehnologiei justifică investiția.

Impacturi viitoare

Succesul sistemului de calcul clasic în acest caz nu diminuează potențialul calculului cuantic. Pe măsură ce tehnologia cuantică continuă să se dezvolte, este de așteptat să se îmbunătățească mai rapid decât sistemele clasice. Omul de știință Google, Sergio Boixo, a remarcat în 2022 că, în timp ce algoritmii clasici s-au îmbunătățit, se așteaptă ca circuitele cuantice să își mențină superioritatea pe măsură ce tehnologia cuantică avansează.

După cum au afirmat oamenii de știință, munca echipei din Shanghai demonstrează necesitatea evaluării cu atenție a afirmațiilor privind avantajele cuantice și depășirea continuă a granițelor calculului clasic și cuantic.

Dar tehnicile lor, în special în tratarea rețelelor tensorale la scară largă, au aplicații mai largi dincolo de sarcina specifică la îndemână. Într-adevăr, aceste metode pot fi extinse în diverse domenii, inclusiv – oarecum ironic în termeni științifici – simulări de calcul cuantic, fizica materiei condensate și optimizarea combinatorie, ceea ce ar putea duce la rezolvarea mai eficientă a problemelor complexe din lumea reală.