雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論消息，5 月 8 日，阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室施堯耘團(tuán)隊(duì)宣布于近日成功研制當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器，名為「太章」?；诎⒗锇桶图瘓F(tuán)計(jì)算平臺(tái)在線集群的超強(qiáng)算力，「太章」在世界上率先成功模擬了 81（9x9）比特 40 層的作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路，之前達(dá)到這個(gè)層數(shù)的模擬器只能處理 49 比特。

同時(shí)，本次模擬任務(wù)只動(dòng)用了阿里巴巴計(jì)算平臺(tái)在線集群 14% 的計(jì)算資源?！柑隆沟膭?chuàng)新算法通信開銷極小，得以充分發(fā)揮平臺(tái)在線集群的優(yōu)勢(shì)，在過去超級(jí)計(jì)算機(jī)上做不了的模擬任務(wù)，比如 64（8x8）比特 40 層的模擬，「太章」只需 2 分鐘即可完成。

2016 年，谷歌提出通過實(shí)現(xiàn)二維陣列 MxN 對(duì)應(yīng)的量子比特上的一類特定隨機(jī)量子電路來實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的方案，這一類特定隨機(jī)量子電路通常被稱為量子霸權(quán)電路。在方案中，認(rèn)為當(dāng)該二維陣列上的比特?cái)?shù) (MN) 達(dá)到 50，電路的深度（層數(shù)）到達(dá) 40 左右，現(xiàn)有世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無法有效模擬這樣的電路。

圖 1：8x8 二維網(wǎng)格上一個(gè)深度為 20 的量子霸權(quán)電路對(duì)應(yīng)的張量網(wǎng)絡(luò)展示

谷歌的硬件團(tuán)隊(duì)希望將在 9 量子比特 1 維陣列中實(shí)現(xiàn)的 1% 讀取誤差，0.1% 單比特門誤差，0.6% 兩比特門誤差保持到更大規(guī)模的量子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這樣的霸權(quán)電路，并通過這個(gè)特定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)量子硬件對(duì)當(dāng)前世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算資源的超越。此后，若干研究團(tuán)隊(duì)紛紛在不同的超級(jí)計(jì)算機(jī)上對(duì)該類電路進(jìn)行模擬。之前，全球最好的研究結(jié)果尚未同時(shí)達(dá)到 50 比特 40 層。

圖 2：nxn 二維網(wǎng)格上，計(jì)算隨機(jī)電路輸出每一個(gè)振幅的執(zhí)行時(shí)間與電路深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在量子計(jì)算目前的模型中，有一類是量子電路模型，實(shí)現(xiàn)形式是將信息存儲(chǔ)在量子比特中，通過類似經(jīng)典邏輯門的量子門來實(shí)現(xiàn)計(jì)算。達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)量子科學(xué)家陳建鑫與實(shí)習(xí)生張放實(shí)現(xiàn)了一種基于分布式的通用量子電路模擬方案，并基于研究的模擬器對(duì)谷歌第一版的隨機(jī)量子電路進(jìn)行了測(cè)試。

利用阿里計(jì)算平臺(tái)的在線集群的少量計(jì)算資源 (14% 左右) ，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成功使用「太章」模擬器模擬了 9x9x40 也就是 81 比特 40 層隨機(jī)電路，還分別成功模擬了 100 比特 35 層（10x10x35）, 121 比特 31 層（11x11x31）與 144 比特 27 層（12x12x27）的隨機(jī)量子電路。

圖 3：「太章」模擬的隨機(jī)量子電路規(guī)模（黑線）與谷歌量子硬件可以實(shí)現(xiàn)的規(guī)模 (紅線) 比較（基于谷歌在 [Characterizing quantum supremacy in near-term devices] 中對(duì) 7x7 的估計(jì)）

目前業(yè)界主流的模擬方案有兩類，一類是存儲(chǔ)量子狀態(tài)的所有振幅，一類是對(duì)于任意振幅都可以迅速計(jì)算得到結(jié)果。第一類模擬方案，基本都在超級(jí)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇鎯?chǔ) 45 比特的量子狀態(tài)需要 Petabyte 量級(jí)的內(nèi)存，在存儲(chǔ)這么多數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)該量子態(tài)進(jìn)行操作并進(jìn)行計(jì)算，需要不斷地在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通訊開銷對(duì)于普通云服務(wù)是難以承受的。

在阿里巴巴計(jì)算平臺(tái)的在線集群上，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)采用了第二類模擬方案，通過快速有效的計(jì)算任意振幅，任務(wù)拆分后可以將子任務(wù)十分均衡地分配到不同節(jié)點(diǎn)，極少的通信開銷使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)。

在本研究成果之前，對(duì)于兩種模擬方案，全球尚未有研究團(tuán)隊(duì)可以成功模擬谷歌超過 50 比特 40 層的第一代隨機(jī)測(cè)試電路。在達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的模擬器內(nèi)還可以每 2 分鐘計(jì)算 64 比特 40 層隨機(jī)電路的一個(gè)振幅。

本次研究成果也已經(jīng)以論文的形式在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 上提交，文章并列第一作者為量子實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)家陳建鑫與實(shí)習(xí)生張放，作者還有實(shí)習(xí)生黃甲辰和 Michael Newman 博士。

圖 4：阿里巴巴「太章」模擬器與目前主要模擬器模擬谷歌隨機(jī)電路的結(jié)果比較

美國密西根大學(xué)終身教授、世界頂級(jí)量子科學(xué)家施堯耘擔(dān)任阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室主任、首席量子技術(shù)科學(xué)家。兩次理論計(jì)算機(jī)最高獎(jiǎng)哥德爾獎(jiǎng)得主、匈牙利裔美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）于今年年初也加入該實(shí)驗(yàn)室。

其他：

「太章」取自：《淮南子·墬形訓(xùn)》：「禹乃使太章步自東極至于西極，二億三萬三千五百里七十五步；使豎亥步自北極至于南極，二億三萬三千五百里七十五步。凡鴻水淵藪自三百仞以上二億三萬三千五百五十里有九淵·禹乃以息土填洪水以為名山。」

「太章」模擬器目的是用一種經(jīng)典、我們能理解的方式來理解量子的運(yùn)行，就跟太章徒步測(cè)量東極至西極的距離那樣。

arXiv 論文鏈接： https://arxiv.org/abs/1805.01450

谷歌 [Characterizing quantum supremacy in near-term devices]：https://www.nature.com/articles/s41567-018-0124-x

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