IBM模擬了56個量子比特的量子計算機

現在，美國國際商用機器公司（IBM）在一臺經典的超級計算機中成功模擬了56量子比特的量子計算機，僅用了4.5兆兆字節。

在此之前，相關研究人員認為，49個量子比特已經是目前的超級計算機的極限，無法模擬更多的量子比特。

研究人員將模擬任務劃分為多個并行的模塊，這樣他們可以同時使用一臺超級計算機的多個處理器，滿足模擬56個量子比特的量子計算機所需要的效率。

南加州大學（University of Southern California）的伊塔?亨（Itay Hen）表示：“美國國際商用機器公司打破了量子計算機49個量子比特的極限，這對擁有量子設備的人來說，他們失去了絕對的量子優勢。”

最后一個量子態也是劃分模塊計算的，每個模塊涉及變化幅度的計算，總共有個模塊。在56個量子比特的電路中，最后一個量子態總共有個模塊，每個模塊的變化振幅只有。這意味著，相比之前的最后一個量子態計算，56個量子比特的電路模塊增多，而每個模塊變化幅度減小一個數量級，但是由于每個模塊可以并行計算，這樣只需要增加處理器的數目就可以加快計算的速度。

模擬的所有試驗結果都是通過勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的Vulcan超級計算機得到的，Vulcan超級計算機采用的是藍色基因Q（Blue Gene/ Q）系統。這次模擬并不是一次成功，在達到論文中描述的試驗結果之前，研究人員還進行了很多次額外的試驗，這部分沒有在論文中展現出來，總過程共耗時兩天。另外，這次模擬對超級計算機內存的要求也很高，內存需要擴展到4096個節點，并且每一次并行計算都至少要有64TB的內存空間。

結論和未來工作展望

強大的計算能力還是要依賴于超級計算機，我們的貢獻主要是采用了新的電路模擬方法，通過這種模擬方法，超級計算機可以打破量子計算機無法被模擬的極限——50個量子比特。預料之中，我們模擬得到的試驗數據呈現波特-托馬斯（Porter-Thomas）分布，這和通過普通隨機電路模擬得到的概率分布一致。這種分布是由分析49個量子比特電路所有量子態的所有模塊的模擬結果而得到的，現在證實這種分布和56個量子比特的電路得到的結果擬合的也很好。正如引言中提到，計算測量結果的量子幅度對評估量子器件的正確操作很重要，不過，這項研究還沒有探討這個應用。

以前研究人員認為49個量子比特的隨機電路不可能在經典計算機中實現模擬，現在，如果在內存足夠的高端服務器上通過并行模塊模擬得到的數據結果也能很好地符合波特-托馬斯分布，那么是否意味著有這種可能，不需要借助超級計算機，也能夠實現對量子設備測量結果進行常規的振幅計算。如果這真的可以實現的話，那最多又能進行到多少量子比特呢？當然電路的深度也需要考慮。研究人員計劃從這兩方面進行全面探索。另外，張量模塊計算也勉強能實現并行化，因此，從理論上來講，利用高端服務器計算輸出振幅的電路，也可以使用足夠多的高端服務器，按照一定的分布，來實現整個計算和模擬。如此，這些計算不再局限于特定超級計算機的可用內存上，甚至在原則上，我們完全可以在網絡云上進行這樣的模擬。不過，這類電路的計算程度還有待查證，而是否可以完全模擬的問題現在已經變成了一個經濟學問題，而不是一個物理角度的合理性問題。除了上述完整電路的計算可行性，張量模塊還可用于算法分析以及主動控制子回路的仿真，模塊的測量結果還可以作為電路剩余部分的動態輸出。

隨著目前量子計算技術的進步，50個量子比特系統不再遙遠。為了更好地實現量子器件各方面性能的評估和改善，我們需要一種能夠測試和評估量子器件逼真度的方法，這反過來又需要計算這個尺寸甚至更大尺寸器件的理想量子態的幅度。在這項研究中，研究人員提出了一種新方法，可以顯著地擴展經典計算的邊界。

這個方法是這樣展示的：首先由量子比特二維格子（數學誤差處理）中深度為27的全隨機電路輸出完成的振幅，然后對這個結果進行計算模擬。研究人員進一步給出了深度為23的全隨機電路的任意模塊的計算結果，在這之前，由于內存的問題，這些計算是不可能做到的，而利用這篇論文中提出的方法，上述兩次模擬分別只需要4.5和3.0TB來存儲計算數據，這對現有的經典計算機是非常有利的。

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