量子計算終取得里程碑式突破：成功模擬45位量子計算機

量子計算的發展一日千里，總有一天，量子計算機的能力會遠遠超過傳統計算機，而所有證據都表明，這一刻很快就要來了！計算機科學家們甚至還為這一標誌性的里程碑起了個炫酷的名字：量子霸權（quantum supremacy）。

眾所周知，量子計算機是在量子比特（qubit）上進行運算，而根據當前的評估，只要量子計算機跨過 49 位量子比特的門檻，就可以匹敵當前最強大的超級計算機。再往後發展，普通的超級計算機就只能望「量子」興嘆了。

就在今天，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的 Thomas Haner 和 Damian Steiger宣布了迄今為止量子計算機領域最雄心勃勃的計劃！他們要嘗試模擬至今還沒有人模擬過的 49 位量子比特的計算機。更重要的是，他們找到了減少無效時間損耗的方法，使得量子模擬的運行速度比以前要快了一個數量級。

Thomas Haner 和 Damian Steiger

而在此之前，他們已經使用全球排名第五的超級計算機成功模擬過 45 位量子計算機的性能表現。Haner 和 Steiger 說：「據我們所知，這是有史以來模擬量子計算機量子點位最大的量級，這也說明了模擬更多位量子比特的可能性。」

一個45位量子計算機的模擬案例

這種模擬的基本原則就是：在傳統計算機的能力範圍內，儘可能的校準並評估所模擬的量子計算機的性能表現。一旦超過了傳統計算機的能力範圍，那我們就無能為力了，一切只能交給即將到來的量子力量了。

但毫無疑問，這種模擬是非常具有挑戰性的，因為量子計算機可以達到的計算能力將非常驚人。而這種巨大的力量恰恰來自量子所固有的一個特性——疊加狀態，即諸如光子等量子粒子會在同一時刻存在於多種狀態。

關於這一現象最形象的解釋當屬故事「薛定諤的貓」。盒子中的貓究竟是死是活總是不得而知，一切都需要當你打開盒子時才能確定，而在此之前，這隻貓就處於生和死的疊加狀態。

同理，水平偏振光子可表示為0，垂直偏振光子可表示為1。但當光子以水平和垂直偏振的狀態同時疊加存在時，它就可以在計算中同時表示為0和1。

這樣一來，兩個光子就可以表示四個數字，三個光子則可以表示八個數字，依此類推。而這也恰恰就是量子計算機計算能力超眾的原因，跟這種計算方式一對比，傳統的計算機會驟然間顯得弱的不堪一擊。

很簡單，僅僅50個光子可以表示多達10萬億個數字，而對於傳統的超級計算機而言，這將會需要PB級（1PB=1024TB）的內存來存儲這麼多的數據。

不僅如此，這麼多的數字信息處理起來也是一件難事，由於大多數超級計算機都是由諸多處理單元通過巨型計算網路連接而成，因此，對各個節點的數據管理也會耗費大量的計算時間。

這個問題也直接限制了量子模擬的上限，之前模擬42位量子的世界紀錄是由JUGENE超級計算機於2010年完成的。而也正是由於冗餘時間的限制，從那以後，這型計算機在量子模擬上所取得進展就很小了。

JUGENE超級計算機

現在多虧了Haner和Steiger的突破性貢獻——找到了減少無效時間損耗的方法，使得量子模擬的運行速度比以前要快了一個數量級。而主要的方法就是自動代碼生成技術和計算內核優化。

研究團隊增強了底層量子模擬電路的計算內核伸縮性，之所以這麼做的目的就是優化多處理器的響應時間。在多節點模式下，會再引入一個優化層，並通過整合了聚類演算法的量子電路來優化量子門性能，從而達到減少通信量的目的。

經過上述優化過程，通信步驟得以大幅度減少，哪怕在筆記本電腦上，整個預計算時間也可以控制在1-3秒內完成。研究團隊以此為基礎，對各種規模量子比特的量子計算機能力進行了模擬。

研究人員就將這一改進方法應用於運行在加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的Cori II超級計算機上的一組模擬任務（以第一位獲得諾貝爾醫學獎的女性Gerty Cori命名）。

Cori II超級計算機

作為全球排名第五的超級計算機，Cori II性能十分優異，由9,304個計算節點組成，每個節點的核心為Intel Xeon Phi 7250處理器（1.4千兆赫茲、68核），峰值性能為2.91億億次浮點運算，搭配有1 PB的內存。

目前，Haner和Steiger使用該計算機來模擬30、36、42以及45位量子計算機的運行方式。而對於最大的一次模擬，他們使用了0.5 PB的內存以及8,192個計算節點，最終達到了4.28千萬億次浮點運算的計算性能。

顯然，這大幅度低於這台機器所具備的計算能力，更不用說還有團隊特意設計的加速的功能。該團隊仍將這種性能損失歸因於節點間的溝通成本——這依舊需要消耗總計算時間的3/4。

Haner和Steiger將這一結果與同屬於伯克利實驗室的一台次級超級計算機相比較，結果發現這台名為Edison的計算機在模擬30位和36位量子計算時也受益於新的方法而使得計算效率大幅提升。這也表明，新的加速方法是適用於所有的超級計算機的。

Edison超級計算機

他們表示，有了這一結果的支持，49位量子計算機的模擬在近期也將能夠得以實現。

毫無疑問，這一具有里程碑意義的突破，為未來的量子計算機的發展鋪平了道路。最終實現量子霸權（quantum supremacy）的一天並不會太遙遠了。

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