阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室施堯耘團(tuán)隊(duì)宣布于近日成功研制當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器，名為“太章”。 基于阿里巴巴集團(tuán)計(jì)算平臺(tái)在線集群的超強(qiáng)算力，“太章”在世界上率先成功模擬了81（9x9）比特40層的作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路，之前達(dá)到這個(gè)層數(shù)的模擬器只能處理49比特。

　　量子霸權(quán)似乎在上演一場(chǎng)“接力戰(zhàn)”。

　　2月，IBM對(duì)外展示了其50個(gè)量子比特原型機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也曝光；

　　3月，谷歌公布72位量子比特處理器Bristlecone。

　　3月底，微軟發(fā)現(xiàn)天使粒子——馬約拉納費(fèi)米子（Majorana fermion）存在的有力證據(jù)，有望年底前得到可工作的量子比特。

　　現(xiàn)在，輪到阿里上場(chǎng)了。

　　5月8日，阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室施堯耘團(tuán)隊(duì)宣布于近日成功研制當(dāng)前世界最強(qiáng)的量子電路模擬器，名為“太章”。

　　基于阿里巴巴集團(tuán)計(jì)算平臺(tái)在線集群的超強(qiáng)算力，“太章”在世界上率先成功模擬了81（9x9）比特40層的作為基準(zhǔn)的谷歌隨機(jī)量子電路，之前達(dá)到這個(gè)層數(shù)的模擬器只能處理49比特。

　　同時(shí)，本次模擬任務(wù)只動(dòng)用了阿里巴巴計(jì)算平臺(tái)在線集群14%的計(jì)算資源?！疤隆钡膭?chuàng)新算法通信開(kāi)銷(xiāo)極小，得以充分發(fā)揮平臺(tái)在線集群的優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去超級(jí)計(jì)算機(jī)上做不了的模擬任務(wù)，比如64（8x8）比特40層的模擬，“太章”只需2分鐘即可完成。

　　阿里巴巴“太章”模擬器與目前主要模擬器模擬谷歌隨機(jī)電路的結(jié)果比較

　　“太章”模擬的隨機(jī)量子電路規(guī)模與谷歌量子硬件可以實(shí)現(xiàn)的規(guī)模對(duì)比

　　量子計(jì)算可能顛覆當(dāng)前的計(jì)算技術(shù)，是科學(xué)界和工業(yè)界研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。但量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)十分困難。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的高精度量子處理器也只有20幾個(gè)量子比特。故而規(guī)模稍大的量子算法尚無(wú)運(yùn)行的載體。

　　模擬器的作用在于“承上啟下”，往下可以幫助理解、設(shè)計(jì)硬件，向上可以承載算法和應(yīng)用的探索和驗(yàn)證?！疤隆笔状问沟脺y(cè)試和驗(yàn)證被稱(chēng)為“中等規(guī)?！?0-200比特的的量子算法成為可能, 從而為輔助設(shè)計(jì)中等規(guī)模量子算法、量子軟件乃至量子芯片提供了一個(gè)有力的工具。

　　在通常的量子電路模擬方案中，需要存儲(chǔ)量子狀態(tài)的全部振幅，在此海量數(shù)據(jù)上同時(shí)模擬量子運(yùn)算。這個(gè)方法要求不斷地在眾多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)，造成巨大的通訊開(kāi)銷(xiāo)。因此，過(guò)去這樣的模擬任務(wù)往往都在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

　　實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)基于施堯耘教授及其合作者Igor Markov在2005年提出的另一種模擬方案，發(fā)明了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法分解整個(gè)模擬任務(wù)，然后十分均衡地把這些子任務(wù)分配到不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)上。“太章”的通信開(kāi)銷(xiāo)極小，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使之十分適合分布式的計(jì)算平臺(tái)。

　　“太章”模擬的隨機(jī)量子電路規(guī)模（黑線）與谷歌量子硬件可以實(shí)現(xiàn)的規(guī)模(紅線) 比較（基于谷歌在[Characterizing quantum supremacy in near-term devices]中對(duì)7x7的估計(jì)）*

　　作為基準(zhǔn)的隨機(jī)量子電路是谷歌提出為實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的算法?！傲孔影詸?quán)”指的是量子處理器的規(guī)模和精度到達(dá)無(wú)法被經(jīng)典計(jì)算模擬的程度。谷歌今年3月份提出了未來(lái)工作的目標(biāo)：72比特高精度的量子處理器?！疤隆钡慕Y(jié)果表明這一計(jì)劃中的處理器如果只運(yùn)行該基準(zhǔn)算法仍不足于達(dá)到量子霸權(quán)。

　　本次研究成果也提交到預(yù)印本網(wǎng)站arXiv，文章并列第一作者為量子實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)家陳建鑫博士與實(shí)習(xí)生張放，作者還有實(shí)習(xí)生黃甲辰和Michael Newman博士。

　　阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室由美國(guó)密西根大學(xué)終身教授、世界著名量子科學(xué)家施堯耘擔(dān)任首席量子技術(shù)科學(xué)家、量子實(shí)驗(yàn)室主任。兩次理論計(jì)算機(jī)最高獎(jiǎng)哥德?tīng)柂?jiǎng)得主、匈牙利裔美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）于今年年初也加入該實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室正處于人才引進(jìn)的高速增長(zhǎng)時(shí)期。

　　2016年，谷歌提出通過(guò)實(shí)現(xiàn)二維陣列MxN對(duì)應(yīng)的量子比特上的一類(lèi)特定隨機(jī)量子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的方案，這一類(lèi)特定隨機(jī)量子電路通常被稱(chēng)為量子霸權(quán)電路。在方案中，認(rèn)為當(dāng)該二維陣列上的比特?cái)?shù)(MN)達(dá)到50, 電路的深度（層數(shù)）到達(dá)40左右，現(xiàn)有世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法有效模擬這樣的電路。

　　8x8二維網(wǎng)格上一個(gè)深度為20的量子霸權(quán)電路對(duì)應(yīng)的張量網(wǎng)絡(luò)展示

　　谷歌的硬件團(tuán)隊(duì)希望將在9量子比特1維陣列中實(shí)現(xiàn)的1%讀取誤差，0.1%單比特門(mén)誤差，0.6%兩比特門(mén)誤差保持到更大規(guī)模的量子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的霸權(quán)電路，并通過(guò)這個(gè)特定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)量子硬件對(duì)當(dāng)前世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算資源的超越。此后，若干研究團(tuán)隊(duì)紛紛在不同的超級(jí)計(jì)算機(jī)上對(duì)該類(lèi)電路進(jìn)行模擬。之前，全球最好的研究結(jié)果尚未同時(shí)達(dá)到50比特40層。

　　nxn二維網(wǎng)格上，計(jì)算隨機(jī)電路輸出每一個(gè)振幅的執(zhí)行時(shí)間與電路深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　在量子計(jì)算目前的模型中，有一類(lèi)是量子電路模型，實(shí)現(xiàn)形式是將信息存儲(chǔ)在量子比特中，通過(guò)類(lèi)似經(jīng)典邏輯門(mén)的量子門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)量子科學(xué)家陳建鑫與實(shí)習(xí)生張放實(shí)現(xiàn)了一種基于分布式的通用量子電路模擬方案，并基于研究的模擬器對(duì)谷歌第一版的隨機(jī)量子電路進(jìn)行了測(cè)試。

　　利用阿里計(jì)算平臺(tái)的在線集群的少量計(jì)算資源(14%左右)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成功使用“太章”模擬器模擬了9x9 x40也就是81比特40層隨機(jī)電路，還分別成功模擬

　　了100比特35層（10x10x35）, 121比特31層（11x11x31）與144比特27層（12x12x27）的隨機(jī)量子電路。

　　目前業(yè)界主流的模擬方案有兩類(lèi)，一類(lèi)是存儲(chǔ)量子狀態(tài)的所有振幅，一類(lèi)是對(duì)于任意振幅都可以迅速計(jì)算得到結(jié)果。第一類(lèi)模擬方案，基本都在超級(jí)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇鎯?chǔ)45比特的量子狀態(tài)需要Petabyte量級(jí)的內(nèi)存，在存儲(chǔ)這么多數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)該量子態(tài)進(jìn)行操作并進(jìn)行計(jì)算，需要不斷地在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通訊開(kāi)銷(xiāo)對(duì)于普通云服務(wù)是難以承受的。

　　在阿里巴巴計(jì)算平臺(tái)的在線集群上，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)采用了第二類(lèi)模擬方案，通過(guò)快速有效的計(jì)算任意振幅，任務(wù)拆分后可以將子任務(wù)十分均衡地分配到不同節(jié)點(diǎn)，極少的通信開(kāi)銷(xiāo)使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)。

　　在本研究成果之前，對(duì)于兩種模擬方案，全球尚未有研究團(tuán)隊(duì)可以成功模擬谷歌超過(guò)50比特40層的第一代隨機(jī)測(cè)試電路。在達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的模擬器內(nèi)還可以每2分鐘計(jì)算64比特40層隨機(jī)電路的一個(gè)振幅。本次研究成果也已經(jīng)以論文的形式在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上提交，文章并列第一作者為量子實(shí)驗(yàn)室量子科學(xué)家陳建鑫與實(shí)習(xí)生張放，作者還有實(shí)習(xí)生黃甲辰和Michael Newman博士。

　　谷歌、IBM、微軟量子霸權(quán)混戰(zhàn)，施堯耘：超導(dǎo)VS離子阱，量子計(jì)算進(jìn)入兩極世界

　　今年三月，在洛杉磯舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，谷歌展示了一個(gè)新的量子處理器Bristlecone。這個(gè)基于門(mén)的超導(dǎo)系統(tǒng)目的在于研究量子比特技術(shù)的系統(tǒng)誤差率和可擴(kuò)展性，以及在量子模擬、優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。