一文帶你深入了解量子計(jì)算

量子計(jì)算使用亞原子粒子的物理學(xué)領(lǐng)域來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的并行計(jì)算，從而取代了當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中更簡(jiǎn)單的晶體管。量子計(jì)算機(jī)雖然仍處于起步階段，但正在影響已在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的新一代模擬技術(shù)，量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在可借助 NVIDIA cuQuantum SDK 進(jìn)行加速。

在 Steve Jobs 發(fā)布一臺(tái)可以放入口袋的計(jì)算機(jī)的 27 年前，物理學(xué)家 Paul Benioff 發(fā)表了一篇論文，表明理論上可以構(gòu)建一個(gè)更小更強(qiáng)大的系統(tǒng)——一個(gè)量子計(jì)算機(jī)。

Benioff 于 1980 年描述的概念是利用亞原子物理學(xué)命名，這個(gè)概念依然在驅(qū)動(dòng)著今天的研究，包括努力創(chuàng)造下一個(gè)計(jì)算領(lǐng)域大事件：一個(gè)可以在某些方面讓電腦看起來(lái)像算盤(pán)的古樸的系統(tǒng)。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 Richard Feynman 通過(guò)引人入勝的演講，為廣大聽(tīng)眾帶來(lái)了物理學(xué)，他幫助建立了這個(gè)領(lǐng)域，勾勒出此類(lèi)系統(tǒng)如何比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更有效地模擬離奇的量子現(xiàn)象。

量子計(jì)算是什么？

量子計(jì)算使用亞原子粒子的物理學(xué)領(lǐng)域來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的并行計(jì)算，從而取代了當(dāng)今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中更簡(jiǎn)單的晶體管。

量子計(jì)算機(jī)使用量子比特計(jì)算，計(jì)算單元可以打開(kāi)，關(guān)閉或之間的任何值，而不是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的字符，要么打開(kāi)，要么關(guān)閉，要么是 1，要么是 0。量子比特居于中間態(tài)的能力（稱(chēng)為“態(tài)疊加”），這為計(jì)算方程增加了強(qiáng)大的功能，使量子計(jì)算機(jī)在某種數(shù)學(xué)運(yùn)算中更勝一籌。

量子計(jì)算機(jī)的作用

量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)量子比特進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算過(guò)程需要耗費(fèi)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，有時(shí)甚至根本無(wú)法完成。

例如，如今的計(jì)算機(jī)使用 8 位表示介于 0 到 255 之間的任何數(shù)字。得益于態(tài)疊加原理，量子計(jì)算機(jī)可以使用八個(gè)量子比特同時(shí)表示 0 到 255 之間的每個(gè)數(shù)字。

這是一項(xiàng)與計(jì)算中的并行性類(lèi)似的功能：所有可能性都是一次性計(jì)算，而非按順序計(jì)算，從而大幅增加速度。

因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)每次執(zhí)行一個(gè)長(zhǎng)除法計(jì)算以分解一個(gè)龐大的數(shù)字，而量子計(jì)算機(jī)卻可以僅通過(guò)一個(gè)步驟獲得答案。砰！

這意味著量子計(jì)算機(jī)可以重塑整個(gè)領(lǐng)域，例如密碼學(xué)，這些領(lǐng)域均基于對(duì)當(dāng)今不可能處理的龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。

微型模擬的一大作用

這可能只是個(gè)開(kāi)始。一些專(zhuān)家認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)將突破目前阻礙化學(xué)、材料科學(xué)以及任何涉及量子力學(xué)納米級(jí)大小的世界模擬的極限。

量子計(jì)算機(jī)甚至可以幫助工程師對(duì)他們?cè)诋?dāng)今最小的晶體管中開(kāi)始發(fā)現(xiàn)的量子效應(yīng)進(jìn)行更精細(xì)的量子效果模擬，從而延長(zhǎng)半導(dǎo)體的使用壽命。

事實(shí)上，專(zhuān)家表示量子計(jì)算機(jī)最終不會(huì)取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，它們將相互補(bǔ)充。有些人預(yù)測(cè)，量子計(jì)算機(jī)將用作加速器，就像 GPU 加速當(dāng)今的計(jì)算機(jī)一樣。

量子計(jì)算是如何工作的？

不要指望用從當(dāng)?shù)?a target="_blank">電子商店的打折箱里回收的零件來(lái)搭建自己的量子計(jì)算機(jī)，像自己動(dòng)手組裝一臺(tái)個(gè)人電腦一樣。

目前，少數(shù)運(yùn)行中的系統(tǒng)通常需要冷藏，以在絕對(duì)零度以上一點(diǎn)創(chuàng)造工作環(huán)境。他們需要這種寒冷的計(jì)算環(huán)境來(lái)處理為這些系統(tǒng)提供動(dòng)力的脆弱的量子態(tài)。

要說(shuō)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)有多難，一個(gè)原型是在兩個(gè)激光器之間懸浮一個(gè)原子以創(chuàng)建一個(gè)量子比特。您可以在家里的工作室試試！

量子計(jì)算創(chuàng)造了納米級(jí)別非常強(qiáng)大卻有著致命弱點(diǎn)的東西-量子糾纏，那是當(dāng)一個(gè)量子態(tài)中存在兩個(gè)或更多的量子比特的情況，這種情況有時(shí)由波長(zhǎng)僅一毫米的電磁波來(lái)測(cè)量。

如果波的能量稍微大一些就會(huì)失去量子糾纏或疊加態(tài)，或者兩者同時(shí)失去。結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)一種叫做量子退相干的噪音狀態(tài)，在量子計(jì)算中等同于電腦藍(lán)屏死機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在的狀態(tài)如何？

阿里巴巴、Google、Honeywell、IBM 、IonQ和Xanadu等少數(shù)幾家公司都運(yùn)營(yíng)著早期幾代量子計(jì)算機(jī)。

如今，他們提供了數(shù)十個(gè)量子比特。但噪音可能較高，導(dǎo)致它們有時(shí)不穩(wěn)定。。如要可靠地解決實(shí)際問(wèn)題，系統(tǒng)需要數(shù)萬(wàn)或數(shù)十萬(wàn)個(gè)量子比特。

專(zhuān)家認(rèn)為，要進(jìn)入量子計(jì)算機(jī)真正有用的高保真時(shí)代，還得需要幾十年。

量子計(jì)算機(jī)正慢慢向商業(yè)用途發(fā)展。（來(lái)源：Lieven Vandersypen 在 ISSCC 2017 上的演講。）

關(guān)于何時(shí)達(dá)到所謂量子計(jì)算霸權(quán)（量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)的時(shí)間）的預(yù)測(cè)是業(yè)界熱烈討論的問(wèn)題。

加速量子電路模擬

好消息是 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域聚焦于 GPU 等加速器，這些加速器可以執(zhí)行量子計(jì)算機(jī)用量子比特計(jì)算的許多類(lèi)型的運(yùn)算。

現(xiàn)在，經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)找到了使用 GPU 實(shí)現(xiàn)量子模擬的方法。例如，NVIDIA 在我們的內(nèi)部 AI 超級(jí)計(jì)算機(jī) Selene上進(jìn)行前沿的量子模擬。

NVIDIA 在 GTC 主題演講上宣布推出 cuQuantum SDK，目的是加速在 GPU 上運(yùn)行的量子電路模擬。早期研究表明，cuQuantum 能夠提供許多量級(jí)的加速。

SDK 采用一種不可知論的方式為用戶提供了可以選擇的最適合其方法的工具。例如，態(tài)向量可提供高保真結(jié)果，但其內(nèi)存需求會(huì)隨著量子比特?cái)?shù)量的增大呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

這會(huì)在如今最大的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)創(chuàng)造約 50個(gè)量子比特的實(shí)際限制。不過(guò)，我們已經(jīng)（見(jiàn)下文）看到使用 cuQuantum 加速使用這種方法的量子電路模擬的顯著結(jié)果。

態(tài)向量：1，000 個(gè)電路，36 個(gè)量子比特，深度 m=10，復(fù)雜度 64 | CPU：雙 AMD EPYC 7742 上的 Qiskit | GPU：DGX A100 上的 Qgate

來(lái)自 Jülich 超級(jí)計(jì)算中心的研究人員將在 GTC session E31941深入講解態(tài)向量法的工作（免費(fèi)注冊(cè)）。

一個(gè)較新的方法是張量網(wǎng)絡(luò)模擬，它使用更少的內(nèi)存和更多的計(jì)算來(lái)執(zhí)行類(lèi)似的工作。

利用這種方法，NVIDIA 和加州理工學(xué)院使用運(yùn)行在 NVIDIA A100 Tensor Core GPU 上的 cuQuantum 完成了對(duì)最先進(jìn)的量子電路模擬器的加速。在Selene 上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在 9.3 分鐘便從 Google Sycamore 電路的全電路模擬中生成了一個(gè)樣本，而18 個(gè)月前，專(zhuān)家認(rèn)為需要使用數(shù)百萬(wàn)個(gè) CPU 核心花費(fèi)數(shù)天時(shí)間才能完成這項(xiàng)任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò) - 53 個(gè)量子比特，深度 m=20 |CPU：雙 AMD EPYC 7742 上的 Quimb庫(kù) | GPU：DGX-A100 上的 Quimb庫(kù)

加州理工學(xué)院的研究科學(xué)家 Johnnie Gray 說(shuō)：“通過(guò)使用 Cotengra/Quimb 包、NVIDIA新發(fā)布的 cuQuantum SDK 和 Selene 超級(jí)計(jì)算機(jī)，我們?cè)?0 分鐘內(nèi)生成了 Sycamore 量子電路樣本，深度m=20”。

加州理工學(xué)院化學(xué)教授 Garnet Chan 表示：“這為量子電路模擬性能設(shè)定了基準(zhǔn)，并將有助于提升我們驗(yàn)證量子電路行為的能力，從而推動(dòng)量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展?！盙arnet Chan 教授的實(shí)驗(yàn)室是這項(xiàng)工作的主辦方。

NVIDIA 預(yù)計(jì)，cuQuantum 的性能提升和易用性將使其成為研究前沿每個(gè)量子計(jì)算框架和模擬器的基礎(chǔ)元素。

編輯：jq