阿里研制超强量子电路模拟器“太章”:全球首个81比特40层电路模拟器

zhangjingyi人工智能2018/05/08

智东西(公众号:zhidxcom) 编 | 竭渴 智东西5月8日消息,阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布于近日成 […]

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 竭渴

智东西5月8日消息,阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布于近日成功研制量子电路模拟器“太章”。 基于阿里巴巴集团计算平台在线集群的超强算力,“太章”成为世界上第一个成功模拟了81(9×9)比特40层的作为基准的谷歌随机量子电路,之前达到这个层数的模拟器只能处理49比特。

“太章”取自《淮南子·墬形训》:“禹乃使太章步自东极至于西极,二亿三万三千五百里七十五步。”“太章”模拟器目的是用一种经典的我们能理解的方式来理解量子的运行,就跟太章徒步测量东极至西极的距离那样。

量子计算可能颠覆当前的计算技术,是科学界和工业界研究的前沿热点。但量子计算的实现十分困难。目前,已经实现的高精度量子处理器也只有20几个量子比特。模拟器的作用在于“承上启下”,往下可以帮助理解、设计硬件,向上可以承载算法和应用的探索和验证。“太章”首次使得测试和验证被称为“中等规模”50-200比特的的量子算法成为可能, 从而为辅助设计中等规模量子算法、量子软件乃至量子芯片提供了一个有力的工具。

据介绍,本次模拟任务只动用了阿里巴巴计算平台在线集群14% 的计算资源。“太章”的创新算法通信开销极小,得以充分发挥平台在线集群的优势,在过去超级计算机上做不了的模拟任务,比如64(8×8)比特40层的模拟,“太章”只需2分钟即可完成。

提到此次任务,就不得不提到谷歌随机量子电路。

作为基准的随机量子电路是谷歌提出为实现“量子霸权”的算法。“量子霸权”指的是量子处理器的规模和精度到达无法被经典计算模拟的程度。谷歌今年3月份提出了未来工作的目标:72比特高精度的量子处理器。“太章”的结果表明这一计划中的处理器如果只运行该基准算法仍不足于达到量子霸权。

2016年,谷歌提出通过实现二维阵列 MxN 对应的量子比特上的一类特定随机量子电路来实现量子霸权的方案。方案中,认为当该二维阵列上的比特数 (MN) 达到50,电路的深度(层数)到达40左右,即可实现量子霸权。

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(8×8二维网格上一个深度为20的量子霸权电路对应的张量网络展示)

谷歌的硬件团队希望将在9量子比特1维阵列中实现的1%读取误差,0.1%单比特门误差,0.6%两比特门误差保持到更大规模的量子系统来实现这样的霸权电路,并通过这个特定任务,实现量子硬件对当前世界上最强大的经典计算资源的超越。此后,若干研究团队纷纷在不同的超级计算机上对该类电路进行模拟。

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(nxn二维网格上,计算随机电路输出每一个振幅的执行时间与电路深度的对应关系)

在量子计算目前的模型中,有一类是量子电路模型,实现形式是将信息存储在量子比特中,通过类似经典逻辑门的量子门来实现计算。阿里巴巴量子实验室团队量子科学家陈建鑫与实习生张放实现了一种基于分布式的通用量子电路模拟方案,并基于研究的模拟器对谷歌第一版的随机量子电路进行了测试。

利用阿里计算平台的在线集群的少量计算资源(14%左右),实验室团队成功使用“太章”模拟器模拟了9x9x40也就是81比特40层随机电路,还分别成功模拟了100比特35层(10x10x35),121比特31层(11x11x31)与144比特27层(12x12x27)的随机量子电路。

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(“太章”模拟的随机量子电路规模(黑线)与谷歌量子硬件可以实现的规模 (红线) 比较)

目前业界主流的模拟方案有两类,一类是存储量子状态的所有振幅,一类是对于任意振幅都可以迅速计算得到结果。第一类模拟方案,基本都在超级计算机上实现,因为存储45比特的量子状态需要 Petabyte 量级的内存,在存储这么多数据的同时对该量子态进行操作并进行计算,需要不断地在不同的计算节点之间交换数据,这样的通讯开销对于普通云服务是难以承受的。

在阿里巴巴计算平台的在线集群上,实验室团队采用了第二类模拟方案,通过快速有效的计算任意振幅,任务拆分后可以将子任务十分均衡地分配到不同节点,极少的通信开销使得模拟器适配现在广泛提供服务的云计算平台。

本次研究成果已提交到预印本网站arXiv,文章并列第一作者为量子实验室量子科学家陈建鑫博士与实习生张放,其他作者还有实习生黄甲辰和Michael Newman博士。