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光學工程
量子計算里程碑式突破:成功模擬45位量子計算機

     關于量子計算機性能超越傳統計算機這一關鍵轉折點,計算機科學家有個專有名詞,即“量子霸權”。從各方面來看,這樣的轉折點正在臨近。
一般認為,能夠處理49個量子位的量子計算機性能將可以匹敵全球最強大的超級計算機。如果量子計算機的規模進一步擴大,那么性能將遠遠超出傳統計算機。
目前這還無法成為現實。一個重要問題在于,我們如何才能知道,這些量子計算機的工作是否符合期望。因此,計算機科學家開始利用強大的傳統計算機去模擬量子計算機的行為。
這里的關鍵是在人類仍有能力的情況下,盡可能準確地測定量子計算機的行為。在此之后,我們只能完全信任量子世界所發生的一切。
當然,到目前為止,還沒有任何人有能力模擬包含49個量子位的量子計算機。本周,瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Thomas Haner和Damian Steiger公布了迄今為止目標最遠大的一項實驗計劃。
研究團隊利用了全球排名第五的超級計算機,模擬由45個量子位組成的量子計算機的行為。Haner和Steiger表示:“就我們所知,以模擬的量子位個數來看,這創造了新紀錄。”他們也證明了,這樣的模擬可以有多么強大。
由于量子計算機能夠實現的計算復雜度,這樣的模擬非常困難。量子計算機的計算能力來自疊加態這種量子現象,即一個量子微粒,例如光子,同時可以處于超過一種狀態。
例如,水平極化的光子可以代表0,而垂直極化的光子可以代表1。但如果一個光子同時處于水平極化和垂直極化的疊加態,那么在計算中就可以同時代表0和1。
通過這種方式,2個光子可以代表4個數字,3個量子可以代表8個數字,以此類推。這就解釋了為何量子計算機的計算能力如此強大,為何傳統計算機的性能相形見絀。
例如,50個光子就可以代表10的16次方個數字,而傳統計算機需要1PB(1024TB)規模的內存,才能存儲這些數字。

在傳統計算機中處理這些數據則是規模更大的任務。這是由于,大部分超級計算機由多個處理單元組成,這些處理單元通過相互連接形成計算網絡。因此,管理不同節點之間的數據流將造成巨大的通信負荷。
這樣的挑戰限制了傳統計算機模擬量子計算機的規模。目前的世界紀錄是模擬42個量子位,這一成就是Julich超級計算機在2010年取得的。自那時以來,由于計算負荷的問題,這方面未能取得太大進展。
由于Haner和Steiger的工作,這樣的情況將發生改變。他們的突破在于尋找多種方式去降低計算負荷,使模擬速度比以往提升至少1個數量級。
研究人員已在加州勞倫斯伯克利國家實驗室Cori II超級計算機的一系列模擬中應用了這些技術。這臺超級計算機包含9304個節點,每個節點都包含68核英特爾至強Phi 7250處理器,運行頻率為1.4GHz。峰值性能為每秒29.1千萬億次浮點運算,內存則為1PB。
這臺超級計算機以首位女性諾貝爾醫學獎得主Gerty Cori來命名,是全球排名第五的超級計算機。
Haner和Steiger使用這臺超級計算機模擬了包含30、36、42和45個量子位的量子計算機。在規模最大的一次模擬中,他們使用了0.5PB的內存和8192個節點,實現的性能為每秒0.428千萬億次浮點運算。
這距離發揮Cori II超級計算機的峰值性能還有很大差距。研究團隊表示,這是由于大量計算性能都被用于處理通信負荷,而通信負荷仍占據了75%的計算時間。
Haner和Steiger比較了在性能較弱的超級計算機Edsion上,對30和36個量子位進行模擬的結果。這臺超級計算機同樣屬于勞倫斯伯克利實驗室。他們發現,他們的方法同樣可以加速計算。“這表明,實現的速度提升并不僅僅是啟用新一代硬件(即Cori II超級計算機)的結果。”
他們認為,這樣的技術進步表明,對49個量子位的模擬將在不久的將來實現。
這方面的工作將為未來量子計算機的發展鋪平道路。其中獲得的數據將扮演重要角色,使物理學家能夠知道,當“量子霸權”最終到來時,量子計算究竟有多么強大。毫無疑問,這一天不會太遠。


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