量子計算里程碑式突破：成功模擬45位量子計算機

關於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，那麼性能將遠遠超出傳統計算機。

目前這還無法成為現實。一個重要問題在於，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。

這裡的關鍵是在人類仍有能力的情況下，儘可能準確地測定量子計算機的行為。在此之後，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麼強大。

由於量子計算機能夠實現的計算複雜度，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，同時可以處於超過一種狀態。

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於水平極化和垂直極化的疊加態，那麼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。這是由於，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路。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，由於計算負荷的問題，這方面未能取得太大進展。

由於Haner和Steiger的工作，這樣的情況將發生改變。他們的突破在於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。這台超級計算機包含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。

這台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使用這台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，這是由於大量計算性能都被用於處理通信負荷，而通信負荷仍佔據了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。這台超級計算機同樣屬於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，實現的速度提升並不僅僅是啟用新一代硬體（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，量子計算究竟有多麼強大。毫無疑問，這一天不會太遠。