全球最強(qiáng)！阿里巴巴研制出81比特量子電路模擬器“太章”

【導(dǎo)讀】：5月8日，阿里巴巴研制出81比特量子電路模擬器名為“太章”。 這是一款基于阿里巴巴集團(tuán)計(jì)算平臺(tái)在線集群的超強(qiáng)算力的模擬器，世界上首次模擬了81（9x9）比特40層，而之前達(dá)到這個(gè)層數(shù)的模擬器只能處理49比特。

量子霸權(quán)賽接力上演，各大巨頭推出的量子比特好戲不斷。

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。“太章”的創(chuàng)新算法通信開(kāi)銷極小，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。“太章”首次使得測(cè)試和驗(yàn)證被稱為“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。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?！疤隆钡耐ㄐ砰_(kāi)銷極小，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，這一類特定隨機(jī)量子電路通常被稱為量子霸權(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，一類是存儲(chǔ)量子狀態(tài)的所有振幅，一類是對(duì)于任意振幅都可以迅速計(jì)算得到結(jié)果。第一類模擬方案，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。

左邊是谷歌最新的72量子比特量子處理器Bristlecone。右邊是該設(shè)備的圖示：每個(gè)“X”代表一個(gè)量子比特，量子比特之間以線性陣列方式相連。來(lái)源：Google Quantum AI Lab

谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)家Julian Kelly在Google Research官博發(fā)文介紹，Bristlecone遵循是谷歌之前提出的9個(gè)量子比特量子計(jì)算機(jī)的線性陣列技術(shù)所對(duì)應(yīng)的物理學(xué)原理，而該技術(shù)顯示的最佳結(jié)果如下：

低的讀數(shù)錯(cuò)誤率（1%）、單量子比特門(mén)（0.1%）以及最重要的雙量子比特門(mén)（0.6%）。

該設(shè)備使用與9個(gè)量子比特的相同的模式進(jìn)行耦合、控制和讀出，但將其擴(kuò)展為一個(gè)包含72個(gè)量子比特的正方形數(shù)組。

谷歌研究人員計(jì)算后認(rèn)為，量子霸權(quán)的目標(biāo)可以通過(guò)使用49個(gè)量子比特，一個(gè)超過(guò)40的電路深度，一個(gè)低于0.5%的2個(gè)比特誤差進(jìn)行完美的證明。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，谷歌之所以公布72位量子比特處理器，是因?yàn)榱孔影詸?quán)之路遇到了對(duì)手IBM。

2017年11月，IBM宣布成功構(gòu)建并測(cè)量了具有類似性能指標(biāo)的50個(gè)量子比特原型機(jī)，今年2月又曝光了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

50個(gè)量子比特被普遍認(rèn)為可以進(jìn)行普通超級(jí)計(jì)算機(jī)不能完成的任務(wù)，IBM此舉也是在“量子霸權(quán)”上具有里程碑意義的一步。

因?yàn)楣雀韬虸BM的量子處理器都是通過(guò)超導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，因此這兩家公司在量子霸權(quán)上你追我趕。

但是另外一股力量也隨時(shí)有可能爆發(fā)，那就是微軟。

微軟押注拓?fù)淞孔佑?jì)算，雖然目前還沒(méi)有做出來(lái)相互作用的量子比特，但一直在開(kāi)發(fā)量子硬件以及量子計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)套件。

微軟的邏輯在于，雖然谷歌、IBM都做出了量子比特，但這些都是不精確的量子比特，來(lái)自外部環(huán)境的微小震動(dòng)或能量都可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。

而微軟的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)可能能夠大大降低噪音。微軟量子計(jì)算業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Julie Love曾說(shuō)：“我們的一個(gè)量子比特將會(huì)有1000個(gè)、甚至10000個(gè)嘈雜的量子比特那樣強(qiáng)大?！彼麄冋J(rèn)為，微軟將在今年年底前得到可工作的量子比特。

施堯耘今年2月發(fā)表在新智元上的一篇文章也提到，宇宙中第一個(gè)拓?fù)淞孔颖忍貙⒃诮衲瓯l(fā)，而微軟是有可能做出來(lái)的。

事實(shí)也證明，微軟也離量子霸權(quán)更近了一步。

今年3月底，微軟的研究人員觀察到被稱為“天使粒子”的馬約拉納費(fèi)米子存在的相當(dāng)有力的證據(jù)：電子在他們的導(dǎo)線中分裂成半體。

如果微軟希望建造一臺(tái)能工作的量子計(jì)算機(jī)，這將是至關(guān)重要的。

另外，離子阱量子計(jì)算在今年下半年可能會(huì)做出手握50-60幾個(gè)比特的利器，施堯耘認(rèn)為，這一領(lǐng)域最大的贏家是沒(méi)有穩(wěn)定量子比特的Amazon和Facebook，量子計(jì)算將進(jìn)入兩極世界時(shí)代。