Сравнение производительности пакетов симуляции квантовых вычислений QuEST и Intel-QS

Abstract

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 ком- пьютере 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. In the nearest future quantum computers will be suitable for practical use. The development of quantum algorithms can be carried out using classical computers and specialized software that allows simulating of a quantum circuit functioning. Simulation results can be used to analyze the algorithm and also contribute to co-design when developing quantum architectures. However, when planning and performing numerical experiments, it is necessary to understand the capabilities of simulators and the limitations on the parameters of the quantum circuit imposed by the characteristics of the available classical computational resources (computers). This paper presents the results of computational experiments on simulating the operation of quantum circuits on an ideal quantum computer using the QuEST and Intel-QS packages, as well as our own “naïve” implementation. Restrictions on the size of a simulated quantum system 𝑁 are shown when using computing systems of various classes — a virtual machine, a computing server, a computing server with a graphics accelerator (GPU), a supercomputer (the maximum achieved size is 𝑁=33). The performance and scalability characteristics of the considered implementations on shared and distributed memory are given (the observed scaling efficiency is 30 % and 70 %, respectively). For the QuEST package and our own implementation the performance is presented for systems with graphics accelerator (GPU).