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量子计算终取得里程碑式突破

发布日期:2019-09-01 10:06:41 | 编辑:it技术发展网| 阅读次数:

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  量子计算的发展一日千里,总有一天,量子计算机的能力会远远超过传统计算机,而所有证据都表明,这一刻很快就要来了!计算机科学家们甚至还为这一标志性的里程碑起了个炫酷的名字:量子霸权(quantum supremacy)。
  众所周知,量子计算机是在量子比特(qubit)上进行运算,而根据当前的评估,只要量子计算机跨过 49 位量子比特的门槛,就可以匹敌当前最强大的超级计算机。再往后发展,普通的超级计算机就只能望“量子”兴叹了。  就在今天,来自瑞士苏黎世联邦理工学院的 Thomas Haner 和 Damian Steiger宣布了迄今为止量子计算机领域最雄心勃勃的计划!他们要尝试模拟至今还没有人模拟过的 49 位量子比特的计算机。更重要的是,他们找到了减少无效时间损耗的方法,使得量子模拟的运行速度比以前要快了一个数量级。
  Thomas Haner 和 Damian Steiger
  而在此之前,他们已经使用全球排名第五的超级计算机成功模拟过 45 位量子计算机的性能表现。Haner 和 Steiger 说:“据我们所知,这是有史以来模拟量子计算机量子点位最大的量级,这也说明了模拟更多位量子比特的可能性。”
  一个45位量子计算机的模拟案例
  这种模拟的基本原则就是:在传统计算机的能力范围内,尽可能的校准并评估所模拟的量子计算机的性能表现。一旦超过了传统计算机的能力范围,那我们就无能为力了,一切只能交给即将到来的量子力量了。  但毫无疑问,这种模拟是非常具有挑战性的,因为量子计算机可以达到的计算能力将非常惊人。而这种巨大的力量恰恰来自量子所固有的一个特性——叠加状态,即诸如光子等量子粒子会在同一时刻存在于多种状态。  关于这一现象最形象的解释当属故事“薛定谔的猫”。盒子中的猫究竟是死是活总是不得而知,一切都需要当你打开盒子时才能确定,而在此之前,这只猫就处于生和死的叠加状态。
  同理,水平偏振光子可表示为0,垂直偏振光子可表示为1。但当光子以水平和垂直偏振的状态同时叠加存在时,它就可以在计算中同时表示为0和1。  这样一来,两个光子就可以表示四个数字,三个光子则可以表示八个数字,依此类推。而这也恰恰就是量子计算机计算能力超众的原因,跟这种计算方式一对比,传统的计算机会骤然间显得弱的不堪一击。
  很简单,仅仅50个光子可以表示多达10万亿个数字,而对于传统的超级计算机而言,这将会需要PB级(1PB=1024TB)的内存来存储这么多的数据。  不仅如此,这么多的数字信息处理起来也是一件难事,由于大多数超级计算机都是由诸多处理单元通过巨型计算网络连接而成,因此,对各个节点的数据管理也会耗费大量的计算时间。  这个问题也直接限制了量子模拟的上限,之前模拟42位量子的世界纪录是由JUGENE超级计算机于2010年完成的。而也正是由于冗余时间的限制,从那以后,这型计算机在量子模拟上所取得进展就很小了。
  JUGENE超级计算机
  现在多亏了Haner和Steiger的突破性贡献——找到了减少无效时间损耗的方法,使得量子模拟的运行速度比以前要快了一个数量级。而主要的方法就是自动代码生成技术和计算内核优化。  研究团队增强了底层量子模拟电路的计算内核伸缩性,之所以这么做的目的就是优化多处理器的响应时间。在多节点模式下,会再引入一个优化层,并通过整合了聚类算法的量子电路来优化量子门性能,从而达到减少通信量的目的。  经过上述优化过程,通信步骤得以大幅度减少,哪怕在笔记本电脑上,整个预计算时间也可以控制在1-3秒内完成。研究团队以此为基础,对各种规模量子比特的量子计算机能力进行了模拟。  研究人员就将这一改进方法应用于运行在加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的Cori II超级计算机上的一组模拟任务(以第一位获得诺贝尔医学奖的女性Gerty Cori命名)。
  Cori II超级计算机
  作为全球排名第五的超级计算机,Cori II性能十分优异,由9,304个计算节点组成,每个节点的核心为Intel Xeon Phi 7250处理器(1.4千兆赫兹、68核),峰值性能为2.91亿亿次浮点运算,搭配有1 PB的内存。  目前,Haner和Steiger使用该计算机来模拟30、36、42以及45位量子计算机的运行方式。而对于最大的一次模拟,他们使用了0.5 PB的内存以及8,192个计算节点,最终达到了4.28千万亿次浮点运算的计算性能。  显然,这大幅度低于这台机器所具备的计算能力,更不用说还有团队特意设计的加速的功能。该团队仍将这种性能损失归因于节点间的沟通成本——这依旧需要消耗总计算时间的3/4。  Haner和Steiger将这一结果与同属于伯克利实验室的一台次级超级计算机相比较,结果发现这台名为Edison的计算机在模拟30位和36位量子计算时也受益于新的方法而使得计算效率大幅提升。这也表明,新的加速方法是适用于所有的超级计算机的。
  Edison超级计算机
  他们表示,有了这一结果的支持,49位量子计算机的模拟在近期也将能够得以实现。  毫无疑问,这一具有里程碑意义的突破,为未来的量子计算机的发展铺平了道路。最终实现量子霸权(quantum supremacy)的一天并不会太遥远了。

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