陳樺 編譯
關於量子電腦性能超越傳統電腦這一關鍵轉捩點， 電腦科學家有個專有名詞， 即“量子霸權”。 從各方面來看， 這樣的轉捩點正在臨近。
一般認為， 能夠處理49個量子位元的量子電腦性能將可以匹敵全球最強大的超級電腦。 如果量子電腦的規模進一步擴大， 那麼性能將遠遠超出傳統電腦。
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， 這些量子電腦的工作是否符合期望。 因此， 電腦科學家開始利用強大的傳統電腦去類比量子電腦的行為。
這裡的關鍵是在人類仍有能力的情況下， 盡可能準確地測定量子電腦的行為。 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個量子位元的量子電腦。 本周， 瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Thomas Haner和Damian Steiger公佈了迄今為止目標最遠大的一項實驗計畫。
研究團隊利用了全球排名第五的超級電腦， 類比由45個量子位元組成的量子電腦的行為。 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。
由於量子電腦能夠實現的計算複雜度， 這樣的模擬非常困難。 量子電腦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， 水準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準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個數位， 3個量子可以代表8個數位， 以此類推。 這就解釋了為何量子電腦的計算能力如此強大，
例如， 50個光子就可以代表10的16次方個數位， 而傳統電腦需要1PB（1024TB）規模的記憶體， 才能存儲這些數位。
在傳統電腦中處理這些資料則是規模更大的任務。 這是由於， 大部分超級電腦由多個處理單元組成，
這樣的挑戰限制了傳統電腦類比量子電腦的規模。 目前的世界紀錄是模擬42個量子位， 這一成就是Julich超級電腦在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， 使類比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超級電腦的一系列類比中應用了這些技術。 這台超級電腦包含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，
這台超級電腦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電腦。
Haner和Steiger使用這台超級電腦類比了包含30、36、42和45個量子位元的量子電腦。 在規模最大的一次類比中， 他們使用了0.5PB的記憶體和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超級電腦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電腦Edsion上， 對30和36個量子位進行模擬的結果。 這台超級電腦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超級電腦）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電腦的發展鋪平道路。其中獲得的資料將扮演重要角色，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。
相關論文
《0.5 Petabyte Simulation of a 45-Qubit Quantum Circuit》
摘要：
Near-term quantum computers will soon reach sizes that are challenging to directly simulate, even when employing the most powerful supercomputers. Yet, the ability to simulate these early devices using classical computers is crucial for calibration, validation, and benchmarking. In order to make use of the full potential of systems featuring multi- and many-core processors, we use automatic code generation and optimization of compute kernels, which also enables performance portability. We apply a scheduling algorithm to quantum supremacy circuits in order to reduce the required communication and simulate a 45-qubit circuit on the Cori II supercomputer using 8,192 nodes and 0.5 petabytes of memory. To our knowledge, this constitutes the largest quantum circuit simulation to this date. Our highly-tuned kernels in combination with the reduced communication requirements allow an improvement in time-to-solution over state-of-the-art simulators by more than an order of magnitude at every scale.
論文地址：https://arxiv.org/abs/1704.01127
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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。
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