Dimostrazione dell’esecuzione parallela su più QPU per la chimica quantistica basata su frammenti usando hardware installato in sede

Abstract degli autori

La chimica quantistica basata sugli orbitali molecolari a frammenti (FMO) offre una via naturale alla computazione quantistica parallela: i calcoli molecolari di grandi dimensioni possono essere scomposti in sottoproblemi quantistici più piccoli che, in linea di principio, possono essere eseguiti simultaneamente. Il loro vantaggio pratico su hardware quantistico reale, tuttavia, è rimasto poco chiaro. Dimostriamo calcoli FMO paralleli su tre computer quantistici «Quoll» basati sul diamante e operanti a temperatura ambiente, installati in loco presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility. I cluster di elio (He$_{n}$, $n=2,4,8,10,14$) sono stati usati come banco di prova per i calcoli dell’energia totale con il Quantum Wave Function Sampler (QWFS), un approccio di interazione configurazionale selezionata (SCI). Confrontiamo due modalità di esecuzione: l’esecuzione sincrona parallela per shot, in cui i processori quantistici campionano congiuntamente i circuiti QWFS e combinano i conteggi corretti per SPAM in un’unica distribuzione di probabilità; e l’esecuzione asincrona parallela per frammenti, in cui i processori valutano indipendentemente i frammenti FMO usando circuiti ottimizzati specifici per ciascun dispositivo. Entrambe le modalità aumentano il throughput del campionamento quantistico senza una perdita sistematica di accuratezza. Il flusso di lavoro parallelo per shot con tre QPU raggiunge un’efficienza parallela di $93.60\%$, mentre il flusso di lavoro parallelo per frammenti raggiunge un’efficienza misurata di $75.01\%$, che sale a $95.17\%$ escludendo il tempo di inattività non utile associato ai job inviati non interrompibili. In entrambi i casi, le energie FMO-QWFS ottenute mantengono un’accuratezza chimica rispetto all’ideale classico. Questi risultati costituiscono una dimostrazione di fattibilità del fatto che l’esecuzione quantistica parallela può migliorare il throughput pratico dei flussi di lavoro di chimica quantistica su hardware prototipale e spingono a sviluppare futuri ambienti HPC con numerosi processori quantistici fault-tolerant che operino come risorsa distribuita per la simulazione molecolare e dei materiali.