现在,美国国际商用机器公司(IBM)在一台经典的超级计算机中成功模拟了56量子比特的量子计算机,仅用了4.5兆兆字节。

在此之前,相关研究人员认为,49个量子比特已经是目前的超级计算机的极限,无法模拟更多的量子比特。

研究人员将模拟任务划分为多个并行的模块,这样他们可以同时使用一台超级计算机的多个处理器,满足模拟56个量子比特的量子计算机所需要的效率。

南加州大学(University of Southern California)的伊塔·亨(Itay Hen)表示:“美国国际商用机器公司打破了量子计算机49个量子比特的极限,这对拥有量子设备的人来说,他们失去了绝对的量子优势。”

最后一个量子态也是划分模块计算的,每个模块涉及变化幅度的计算,总共有个模块。在56个量子比特的电路中,最后一个量子态总共有个模块,每个模块的变化振幅只有。这意味着,相比之前的最后一个量子态计算,56个量子比特的电路模块增多,而每个模块变化幅度减小一个数量级,但是由于每个模块可以并行计算,这样只需要增加处理器的数目就可以加快计算的速度。

模拟的所有试验结果都是通过劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的Vulcan超级计算机得到的,Vulcan超级计算机采用的是蓝色基因Q(Blue Gene/ Q)系统。这次模拟并不是一次成功,在达到论文中描述的试验结果之前,研究人员还进行了很多次额外的试验,这部分没有在论文中展现出来,总过程共耗时两天。另外,这次模拟对超级计算机内存的要求也很高,内存需要扩展到4096个节点,并且每一次并行计算都至少要有64TB的内存空间。

结论和未来工作展望

强大的计算能力还是要依赖于超级计算机,我们的贡献主要是采用了新的电路模拟方法,通过这种模拟方法,超级计算机可以打破量子计算机无法被模拟的极限——50个量子比特。预料之中,我们模拟得到的试验数据呈现波特-托马斯(Porter-Thomas)分布,这和通过普通随机电路模拟得到的概率分布一致。这种分布是由分析49个量子比特电路所有量子态的所有模块的模拟结果而得到的,现在证实这种分布和56个量子比特的电路得到的结果拟合的也很好。正如引言中提到,计算测量结果的量子幅度对评估量子器件的正确操作很重要,不过,这项研究还没有探讨这个应用。

以前研究人员认为49个量子比特的随机电路不可能在经典计算机中实现模拟,现在,如果在内存足够的高端服务器上通过并行模块模拟得到的数据结果也能很好地符合波特-托马斯分布,那么是否意味着有这种可能,不需要借助超级计算机,也能够实现对量子设备测量结果进行常规的振幅计算。如果这真的可以实现的话,那最多又能进行到多少量子比特呢?当然电路的深度也需要考虑。研究人员计划从这两方面进行全面探索。另外,张量模块计算也勉强能实现并行化,因此,从理论上来讲,利用高端服务器计算输出振幅的电路,也可以使用足够多的高端服务器,按照一定的分布,来实现整个计算和模拟。如此,这些计算不再局限于特定超级计算机的可用内存上,甚至在原则上,我们完全可以在网络云上进行这样的模拟。不过,这类电路的计算程度还有待查证,而是否可以完全模拟的问题现在已经变成了一个经济学问题,而不是一个物理角度的合理性问题。除了上述完整电路的计算可行性,张量模块还可用于算法分析以及主动控制子回路的仿真,模块的测量结果还可以作为电路剩余部分的动态输出。

随着目前量子计算技术的进步,50个量子比特系统不再遥远。为了更好地实现量子器件各方面性能的评估和改善,我们需要一种能够测试和评估量子器件逼真度的方法,这反过来又需要计算这个尺寸甚至更大尺寸器件的理想量子态的幅度。在这项研究中,研究人员提出了一种新方法,可以显著地扩展经典计算的边界。

这个方法是这样展示的:首先由量子比特二维格子(数学误差处理)中深度为27的全随机电路输出完成的振幅,然后对这个结果进行计算模拟。研究人员进一步给出了深度为23的全随机电路的任意模块的计算结果,在这之前,由于内存的问题,这些计算是不可能做到的,而利用这篇论文中提出的方法,上述两次模拟分别只需要4.5和3.0TB来存储计算数据,这对现有的经典计算机是非常有利的。

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