量子计算里程碑式突破:成功模拟45位量子计算机

2017-04-12 15:32:00 量子位 分享
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  关于量子计算机性能超越传统计算机这一关键转折点,计算机科学家有个专有名词,即“量子霸权”。从各方面来看,这样的转折点正在临近。

  一般认为,能够处理49个量子位的量子计算机性能将可以匹敌全球最强大的超级计算机。如果量子计算机的规模进一步扩大,那么性能将远远超出传统计算机。

  目前这还无法成为现实。一个重要问题在于,我们如何才能知道,这些量子计算机的工作是否符合期望。因此,计算机科学家开始利用强大的传统计算机去模拟量子计算机的行为。

  这里的关键是在人类仍有能力的情况下,尽可能准确地测定量子计算机的行为。在此之后,我们只能完全信任量子世界所发生的一切。

  当然,到目前为止,还没有任何人有能力模拟包含49个量子位的量子计算机。本周,瑞士苏黎世联邦理工学院的Thomas Haner和Damian Steiger公布了迄今为止目标最远大的一项实验计划。

  研究团队利用了全球排名第五的超级计算机,模拟由45个量子位组成的量子计算机的行为。Haner和Steiger表示:“就我们所知,以模拟的量子位个数来看,这创造了新纪录。”他们也证明了,这样的模拟可以有多么强大。

  由于量子计算机能够实现的计算复杂度,这样的模拟非常困难。量子计算机的计算能力来自叠加态这种量子现象,即一个量子微粒,例如光子,同时可以处于超过一种状态。

  例如,水平极化的光子可以代表0,而垂直极化的光子可以代表1。但如果一个光子同时处于水平极化和垂直极化的叠加态,那么在计算中就可以同时代表0和1。

  通过这种方式,2个光子可以代表4个数字,3个量子可以代表8个数字,以此类推。这就解释了为何量子计算机的计算能力如此强大,为何传统计算机的性能相形见绌。

  例如,50个光子就可以代表10的16次方个数字,而传统计算机需要1PB(1024TB)规模的内存,才能存储这些数字。

  在传统计算机中处理这些数据则是规模更大的任务。这是由于,大部分超级计算机由多个处理单元组成,这些处理单元通过相互连接形成计算网络。因此,管理不同节点之间的数据流将造成巨大的通信负荷。

  这样的挑战限制了传统计算机模拟量子计算机的规模。目前的世界纪录是模拟42个量子位,这一成就是Julich超级计算机在2010年取得的。自那时以来,由于计算负荷的问题,这方面未能取得太大进展。

  由于Haner和Steiger的工作,这样的情况将发生改变。他们的突破在于寻找多种方式去降低计算负荷,使模拟速度比以往提升至少1个数量级。

  研究人员已在加州劳伦斯伯克利国家实验室Cori II超级计算机的一系列模拟中应用了这些技术。这台超级计算机包含9304个节点,每个节点都包含68核英特尔至强Phi 7250处理器,运行频率为1.4GHz。峰值性能为每秒29.1千万亿次浮点运算,内存则为1PB。

  这台超级计算机以首位女性诺贝尔医学奖得主Gerty Cori来命名,是全球排名第五的超级计算机。

  Haner和Steiger使用这台超级计算机模拟了包含30、36、42和45个量子位的量子计算机。在规模最大的一次模拟中,他们使用了0.5PB的内存和8192个节点,实现的性能为每秒0.428千万亿次浮点运算。

  这距离发挥Cori II超级计算机的峰值性能还有很大差距。研究团队表示,这是由于大量计算性能都被用于处理通信负荷,而通信负荷仍占据了75%的计算时间。

  Haner和Steiger比较了在性能较弱的超级计算机Edsion上,对30和36个量子位进行模拟的结果。这台超级计算机同样属于劳伦斯伯克利实验室。他们发现,他们的方法同样可以加速计算。“这表明,实现的速度提升并不仅仅是启用新一代硬件(即Cori II超级计算机)的结果。”

  他们认为,这样的技术进步表明,对49个量子位的模拟将在不久的将来实现。

  这方面的工作将为未来量子计算机的发展铺平道路。其中获得的数据将扮演重要角色,使物理学家能够知道,当“量子霸权”最终到来时,量子计算究竟有多么强大。毫无疑问,这一天不会太远。

责编:李文瑶