Китайски суперкомпютър използва 37 млн. процесорни ядра

Обикновено симулациите за научни изследвания се извършват на суперкомпютри, тъй като те изискват огромна изчислителна производителност. Но квантовата революция се прокрадна оттам, откъдето никой не я очакваше - китайски специалисти направиха на пръв поглед невъзможното: на класически суперкомпютър те стартираха квантова симулация на сложни химични процеси, което преди се очакваше едва с появата на квантовите компютри. Помогнала им е невронна мрежа, обучена да работи с квантовите уравнения.

Значителен пробив в областта на квантовата химия бе постигнат от китайските специалисти на компанията Sunway, които показаха успешна симулация на сложно молекулно поведение на класическия суперкомпютър Oceanlite с участието на изкуствен интелект в решаването на проблема. Традиционно подобен тип симулации изискват огромна изчислителна мощност, която често е недостъпна дори за най-мощните компютърни платформи в света поради експоненциалното нарастване на броя на квантовите състояния.

Участието на невронните мрежи обаче позволи да се преодолеят тези ограничения, като се обработи поведението на "почти реални“ молекули с десетки електрони и повече от 100 спинови орбитали - функции на спиновите координати, с други думи, комплексна информация за спина на електрона и неговото положение в пространството в електронния облак на молекулата.
По този начин изследователите показаха, че за квантовата физика и химията не е задължително да се чака идването на квантовите компютри. С определени умения за работа и днес може да се работи с квантовия свят.

В квантовата механика състоянието на дадена система се описва от вълновата функция Ψ, която определя всички възможни конфигурации на частиците - от позициите и спиновете на електроните до енергийните нива и вероятностите. С увеличаването броя на частиците пространството на състоянията се разширява експоненциално, което прави точното моделиране на класически компютри почти невъзможно и принуждава учените да прибягват до опростявания. Опростяванията налагат баланс между точността на симулиране на процесите и ресурсите, необходими за изчисления. На съвременните суперкомпютри най-висока точност може да се постигне само при моделиране на много прости молекули, което прави невъзможно извършването на съвременни научни пробиви.

Именно затова китайските инженери започват да обмислят възможността за комбиниране на AI и квантовите симулации, което води до разработването на невронни мрежи на квантовите състояния - NNQS. Тази технология направи възможно съчетаването на мащабируемостта на машинното обучение с квантовата прецизност. Това направи възможно моделирането на многоелектронни молекули със силни корелации, в които си взаимодействат десетки и дори стотици спинови орбитали, върху конвенционална система.

Невронната мрежа е обучена да прогнозира вълновата функция за симулиране на молекула със 120 спинови орбитали, което е най-голямата симулация на класически компютър - дори с префикса „супер“. Мрежата оценява вероятните позиции на електроните, изчислявайки локалните енергии и коригира параметрите, за да съответстват на реалната квантова структура. Този метод даде възможност да се симулира динамиката на електроните в сложните молекули, откривайки пътя за анализ на процеси, които преди това бяха недостъпни за изчисления.

Изчисленията бяха извършени на суперкомпютъра Oceanlite, изграден от 384-ядрени процесори Sunway SW26010-Pro. Нюансът е, че тази система е създадена за високопроизводителна обработка на данни, а не за изкуствен интелект. За да се „установи“ AI върху непозната изчислителна архитектура, софтуерът трябваше да бъде адаптиран, за да се осигури най-висок паралелизъм и оптимално използване на всички милиони ядра на платформата. Оптимизацията е извършена толкова блестящо, че осигурява 92% силно и 98% слабо мащабиране на задачите при адаптиране на хардуера към натоварването на софтуера.

Като цяло китайската класическа платформа се справи с химическата симулация на молекули със 120 спинови орбитали - немислим досега мащаб за квантова симулация върху класически платформи. Без излишна скромност учените твърдят, че са постигнали пробив в областта на изкуствения интелект при квантовата симулация. И това ще има своите последствия.