量子计算机模拟有望跨越49个量子比特关键门槛

量子计算机可以被描述为当今科学界的“互联网红”，而且总是会有大新闻。根据麻省理工学院技术评论杂志的报道，瑞士科学家最近宣布他们将使用超级计算机来模拟49个量子位的量子计算机。超过49个量子位的临界阈值，量子计算机就能获得“量子霸权”，并拥有让传统计算机尴尬的强大能力。

上海交通大学物理学和天文学教授金先民向《科技日报》记者解释道:“49不是一个非常准确的数字。模拟大约49个量子位可能是现有超级计算机的最大能力。每增加一个量子位，超级计算机的能力就需要相应增加一倍，这显然非常困难。”

然而，科学家们取得的许多突破表明，量子计算机已经超越传统计算机，成为人类强大的“左右手”，这一天可能不远了。

模拟工作极具挑战性。

为了发现量子计算机是否能正常工作，科学家们必须在传统计算机上模拟它们，但是这种工作极具挑战性。

量子计算机具有极其强大的计算能力，这源于量子叠加。50个量子位可以代表1016个数字。传统计算机需要1PB(1PB = 1015字节)内存来存储如此多的数据。然而，在传统计算机上处理如此大量的数据更加困难，因为超级计算机由许多处理单元组成，并且管理进出这些节点的数据流非常耗时费力。

这使得模拟少于49个量子位成为可能。2010年，研究人员在当时世界第五大的德国Iurisci研究中心使用JuGene超级计算机模拟了一台42位量子计算机。然而，近年来，这方面进展甚微。

寻找模拟加速的新方法

但是现在情况变了。苏黎士联邦理工学院的托马斯·汉勒和达米恩·斯泰格找到了降低成本和时间的方法。

他们使用目前世界排名第五的劳伦斯·伯克利国家实验室的科里II超级计算机，连续模拟30、36、42和45位量子计算机的情况。Corey II有9304个计算节点，最高性能为每秒2.91亿次浮点运算和1PB内存。

在最大的量子模拟中，他们使用了0.5兆字节的内存和8192个节点。尽管节点间的通信成本太高——总计算时间的75%被消耗掉了，但每秒4280万次浮点运算的计算能力将量子模拟的速度提高了一个数量级。

他们还在劳伦斯·伯克利国家实验室的另一台稍逊一筹的超级计算机爱迪生上模拟了30位和36位量子计算机，表明新的加速方法也适用于其他超级计算机。

走向“量子霸权”

“量子霸权”是由加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯利发明的一个术语。它被用来表示“量子计算机具有传统超级计算机在存储和通信带宽呈指数级增长后所不具备的能力”，例如模拟化学和材料科学中的分子结构。处理密码学、机器学习和其他问题。一台*超级计算机现在可以做一台拥有5到20个量子位的量子计算机所能做的事情，但是拥有超过49个左右的量子位，量子计算机的能力超出了超级计算机的能力。

模拟45个量子位的量子计算机极大地鼓舞了两位科学家。汉勒和斯蒂格尔说:“据我们所知，这创造了历史上模拟最多量子位的世界纪录，这也显示了模拟更多量子位的可能性。”

据金贤敏说，事实上，中国也非常擅长用超级计算机模拟量子计算机。2016年12月，他与国防科技大学杨校长、教授合作，利用当时世界排名第一的天河二号，用16000个节点模拟了高达50个光子的玻色采样量子计算。

根据麻省理工学院技术评论杂志三月份的一份报告，谷歌量子计算机团队的负责人哈姆特·内文说，他们希望在一年内建立一个49量子位的系统。有许多迹象表明，“量子霸权”的时代正在悄然来临。

然而，金贤敏强调:“用经典超级计算机模拟量子计算机的目的是为了阐明量子计算机应该朝着哪个方向努力超越经典计算机，实现量子霸权。模拟的成功并不等于49个量子位的量子计算机的实现。量子计算机和量子模拟有着光明的前景，但道路漫长而曲折。”

(北京，4月16日，《科技日报》)