2021-09-23
近年來，量子(zǐ)科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和(hé)文輛産業(yè)變革的前沿領域。量子(zǐ)科技發展具有重大科學意義北暗和(hé)戰略價值，是一項對傳統技術(shù)明明體系産生沖擊、進行重構的重大颠覆性技術(shù)創新，将引領新一輪員鐘科技革命和(hé)産業(yè)變革方向。
去年底，中(zhōng)共中(zhōng)央政治局就量子(zǐ)科技研究一懂和(hé)應用前景舉行第二十四次集體學習我理。中(zhōng)央政治局為何集體學習量子(zǐ)科技？習近上鐘平總書記表示，安排這次集體學習，目的是了解世界量子(他下zǐ)科技發展态勢，分析我國量子(zǐ)科技發展形勢，更好推進我國量子兒錢(zǐ)科技發展。近日，廣東省正式發布《廣東省制造唱弟業(yè)高質量發展“十四五”規劃》，規劃中(zhōng)再次提及，到2025年，建成廣東“量子(zǐ)谷”，打造世界一流的國際量場站子(zǐ)信息技術(shù)創新中(zhōng)心和(hé)我國量子(zǐ)校老信息産業(yè)南方基地。
推進量子(zǐ)科技發展已提升到國家戰略高度，如(rú)何搶占制高點，追逐要話科技紅利已成為大家讨論的焦點。随着量子(zǐ)科技的發展，無論是討還學術(shù)研究還是商(shāng)業人靜(yè)應用，相信都有更多的量子(zǐ)外員革命産物走進我們的生活。據最新報道，中(zh些錢ōng)國科大首次在固态體系實現突破标準量子(zǐ)極限的磁測量，唱問中(zhōng)國人民銀行通(tōng)過量子(zǐ)相學密鑰實現支付系統的加解密，量旋科技“雙子(zǐ)座”量子(zǐ)計算下亮機出口歐洲和(hé)大洋洲。
圖1：量子(zǐ)計算機真機
大家猜猜哪一台機器(qì)是“雙子(zǐ)座”呢(ne)？它能做什麼呢(n照城e)？為什麼叫量子(zǐ)計算機？看外觀就和(hé)一台普通(tōng)街外計算機的主機箱類似，究竟有什麼特殊之處？
答案揭曉，最右邊的一台就是漂洋過海的“雙子(zǐ睡計)座”，這是全球首台桌面型核磁共振量子(你紅zǐ)計算機，它具有體積小、穩定性好、免維護、性價比高、歌微零使用成本等一系列優點。“雙子(zǐ)座”是真實的2比特量子(zǐ)計算機，支持用戶自行編寫量子(zǐ)計算程序并在其上新刀運行得到結果，擁有開放的物理硬件層級的脈沖序列編輯議件功能，這十分有利于量子(zǐ)計算非專業(yè)人士快速掌握量子(zǐ)上議計算工作原理與編程操作上手，非常适合量子(z窗也ǐ)計算教學和(hé)演示。
正如(rú)大家所知，經典計算機是通(t遠體ōng)過經典的“位（bit）”執行操作，這些位不是0就是1，而量子(zǐ)計算機基于的是“量子(zǐ)位（qubits）”。量子(zǐ)位同時以0和(hé)1的形式存在，這種現象被稱為“疊加”。量子(zǐ)粒子(zǐ還唱)之間的相互作用就是“量子(zǐ)糾纏”。即使粒子(zǐ)間相隔甚遠(yuǎn地作)，它們依然相互作用、相互參照，而不是獨立的。
圖2：量子(zǐ)疊加與糾纏
那麼量子(zǐ)計算機是如(rú)何計算的呢(ne)？在經典計算機中(zhō外中ng)，假設我們讀入了一個(gè)10比特的信息，那麼得到的就是一個(gè)10位的二進制數，但是在量子(zǐ)計算機中(zh都筆ōng)則完全不一樣。因為每個(gè)量子(zǐ)比特錢的都處于1或0的疊加态，所以當我們讀入一個(gè)10比特的信息時，計算器(qì)處理的就是2*10個(gè)10位二進制數了。量子(zǐ)計算機憑借着量子(zǐ)不确定性，使計算機的信息答生處理能力、速度都得到了極大的提升，可(kě)以兵為快速、有效的分解信息，得出計算結果。
圖3：一個(gè)4量子(zǐ)比特線路(lù)的模拟過程
走出教室，縱觀全球，2020年11月(yuè)谷歌正式推出了1台54比特的量子(zǐ)計算機，在測試中(zhōng)世路紙界上超級計算機需要1萬年才能完成的數據，谷歌這台54比特量子(zǐ)計算機隻用了200秒的時間。IBM的量子(zǐ)處理器(qì)涵蓋5量子(zǐ)比特到65量子(zǐ)比特，預計将推出127量子(zǐ)比特的IBMEagle處理器(qì)。由此可(kě)見，即使是全球領先的科技公司，目前能夠操控的量自那子(zǐ)計算機中(zhōng)的量子(zǐ)數量也是有限的，無法支撐白從一些有應用意義的量子(zǐ)計算。在制造大規模量子(zǐ)物理生動機器(qì)的技術(shù)手段尚未成熟的現在醫快，用超級計算機來進行模拟大量的量子(zǐ)比特的計算，可(kě)以對量子飛女(zǐ)計算的一些理論和(hé)性質進行先前術店驗證及優化。
目前，物理量子(zǐ)比特計算機在可(kě)擴展性、相幹些開時間和(hé)量子(zǐ)門操作精度方面都受到國還一定程度的限制，因此在經典計算機上開展量子(zǐ)計書冷算模拟是研究量子(zǐ)優越性和(hé)量子(zǐ)算法的有效途徑。然而，随着我費量子(zǐ)比特數量的增加，模拟所需的計算資(zī)源呈指數增長。因此，在保火妹證計算準确度、精度及效率的前提下(xià)，研究森工如(rú)何減少(shǎo)大規模量子(zǐ)計算模拟所需資(zī)源長草具有重要的意義。
由于量子(zǐ)計算機的真機當前還處在發展階段，通(tō個那ng)常單機可(kě)用的量子(zǐ)位數量較少(shǎo)(在100以内)且量子(zǐ)位狀态保持不穩定，不能完成有實際意義的、較大規模的量子(z那土ǐ)運算。因此，采用超級計算機模拟量子(zǐ)計算的過程，是目前研究量子(雪跳zǐ)計算、輔助量子(zǐ)計算機執行任務的一種方式，從某些程度上來看，黑自超級計算機可(kě)作為量子(zǐ)計算機的輔助運行部件，模拟出更離白多的量子(zǐ)來完成更大規模的科學計算。
圖4：經典計算機可(kě)作為量子(zǐ)計算機的錯算輔助運行部件
同時，量子(zǐ)計算機也可(kě)作為經師輛典計算機，或者超級計算機的加速器(qì)，量子(zǐ)計算需要和(hé嗎玩)經典計算機協同工作發揮作用。混合量子(zǐ)經典模型是一個(gè)将短間量子(zǐ)計算和(hé)經典計算相結合的混合民做模型，兩種計算方式相輔相成，以期更快得出計算結果，發揮出更大的效能。
圖5：量子(zǐ)計算機可(kě)作為經典計算機的加速器見高(qì)
深圳超算針對目前量子(zǐ)計算模拟的相關(guān)工作，發表了題為《量子路紙(zǐ)計算模拟及優化方法綜述》的論文(wén)，總結了量子(zǐ)計商身算機的模拟方法，模拟全部量子(zǐ)态的概率幅暗新的方式所需内存，随模拟的量子(zǐ)位數指數森水級增長，可(kě)模拟的量子(zǐ)位數受到内存大小的制約。部分概率幅模拟方法現輛的效率高，相比于全概率幅模拟方法能夠模拟具有更多量子我火(zǐ)位的淺深度的量子(zǐ)線路(lù)。
其中(zhōng)，張量網絡收縮方法可(kě)以将全局問(wèn少女)題轉化為局部的張量處理問(wèn)題，從而有輛木效地降低了時間複雜度和(hé)空間複雜度。對于量子(zǐ)計算模拟中自器(qì)在内存使用和(hé)運算性能方面的優雪紙化算法，分割法通(tōng)過把線路(lù)分成若幹個(gè影場)更小的區域，可(kě)以把占用的空間降低一半量子(zǐ)比特數木睡的數量級。
數據本地化則通(tōng)過把全局量子(zǐ)位上的數據煙在轉移到本地量子(zǐ)位上，讓模拟器(qì)能夠在節點内用更少(shǎ街媽o)的時間并行完成門操作計算。特别是對于比較複雜的門操作，本地化的數據新坐轉移量也比直接模拟的數據轉移量更少(shǎo)。為了人村從量子(zǐ)計算優越性發展到大規模的量子(z開船ǐ)計算，量子(zǐ)糾錯技術(shù)也同樣報南需要發展。
圖6：多節點分布式的數據經過遷移後，可(kě)以在同一節點上完成計算
量子(zǐ)計算模拟在算法和(hé)工程上仍有很大的信多優化空間。在算法方面，張量網絡縮并的順序月地極大地影響計算效率，未來可(kě)探索尋找更優縮紙理并順序算法；在工程方面，需要應用張量運算來自女充分發揮硬件性能，進一步降低線路(lù)模拟所需的冷路時間。這些方面都可(kě)以作為未來大規模量子(zǐ)計算的主高就要研究内容，此外可(kě)擴展性和(hé)如(rú)何容錯同樣是量子(說間zǐ)計算研究的關(guān)鍵。
論文(wén)原文(wén)鍊接：static/file/CE-2021.pdf
