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)計算平臺在線集群的超強(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對外展示了其50個量子比特原型機(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，輪到阿里上場了。

5月8日，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團(tuán)隊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)計算平臺在線集群的超強(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)到這個層數(shù)的模擬器只能處理49比特。

同時，本次模擬任務(wù)只動用了阿里巴巴計算平臺在線集群14%的計算資源。“太章”的創(chuàng)新算法通信開銷極小，得以充分發(fā)揮平臺在線集群的優(yōu)勢，在過去超級計算機(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現(xiàn)的規(guī)模對比

量子計算可能顛覆當(dāng)前的計算技術(shù)，是科學(xué)界和工業(yè)界研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。但量子計算的實現(xiàn)十分困難。目前，已經(jīng)實現(xiàn)的高精度量子處理器也只有20幾個量子比特。故而規(guī)模稍大的量子算法尚無運(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)計硬件，向上可以承載算法和應(yīng)用的探索和驗證。“太章”首次使得測試和驗證被稱為“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)計中等規(guī)模量子算法、量子軟件乃至量子芯片提供了一個有力的工具。

在通常的量子電路模擬方案中，需要存儲量子狀態(tài)的全部振幅，在此海量數(shù)據(jù)上同時模擬量子運(yùn)算。這個方法要求不斷地在眾多的計算節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)，造成巨大的通訊開銷。因此，過去這樣的模擬任務(wù)往往都在超級計算機(jī)上進(jìn)行。

實驗室團(tuán)隊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)明了一個簡單而有效的方法分解整個模擬任務(wù)，然后十分均衡地把這些子任務(wù)分配到不同計算節(jié)點(diǎn)上。“太章”的通信開銷極小，這個優(yōu)點(diǎn)使之十分適合分布式的計算平臺。

“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現(xiàn)的規(guī)模（紅線） 比較（基于谷歌在［Characterizing quantum supremacy in near-term devices］中對7x7的估計）*

作為基準(zhǔn)的隨機(jī)量子電路是谷歌提出為實現(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)無法被經(jīng)典計算模擬的程度。谷歌今年3月份提出了未來工作的目標(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驗室量子科學(xué)家陳建鑫博士與實習(xí)生張放，作者還有實習(xí)生黃甲辰和Michael Newman博士。

阿里巴巴量子實驗室由美國密西根大學(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、量子實驗室主任。兩次理論計算機(jī)最高獎哥德爾獎得主、匈牙利裔美國計算機(jī)科學(xué)家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）于今年年初也加入該實驗室。實驗室正處于人才引進(jìn)的高速增長時期。

2016年，谷歌提出通過實現(xiàn)二維陣列MxN對應(yīng)的量子比特上的一類特定隨機(jī)量子電路來實現(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數(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)大的超級計算機(jī)也無法有效模擬這樣的電路。

8x8二維網(wǎng)格上一個深度為20的量子霸權(quán)電路對應(yīng)的張量網(wǎng)絡(luò)展示

谷歌的硬件團(tuán)隊希望將在9量子比特1維陣列中實現(xiàn)的1%讀取誤差，0.1%單比特門誤差，0.6%兩比特門誤差保持到更大規(guī)模的量子系統(tǒng)來實現(xiàn)這樣的霸權(quán)電路，并通過這個特定任務(wù)，實現(xiàn)量子硬件對當(dāng)前世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典計算資源的超越。此后，若干研究團(tuán)隊紛紛在不同的超級計算機(jī)上對該類電路進(jìn)行模擬。之前，全球最好的研究結(jié)果尚未同時達(dá)到50比特40層。

nxn二維網(wǎng)格上，計算隨機(jī)電路輸出每一個振幅的執(zhí)行時間與電路深度的對應(yīng)關(guān)系

在量子計算目前的模型中，有一類是量子電路模型，實現(xiàn)形式是將信息存儲在量子比特中，通過類似經(jīng)典邏輯門的量子門來實現(xiàn)計算。達(dá)摩院量子實驗室團(tuán)隊量子科學(xué)家陳建鑫與實習(xí)生張放實現(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谷歌第一版的隨機(jī)量子電路進(jìn)行了測試。

利用阿里計算平臺的在線集群的少量計算資源（14%左右）實驗室團(tuán)隊成功使用“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，一類是存儲量子狀態(tài)的所有振幅，一類是對于任意振幅都可以迅速計算得到結(jié)果。第一類模擬方案，基本都在超級計算機(jī)上實現(xiàn)，因為存儲45比特的量子狀態(tài)需要Petabyte量級的內(nèi)存，在存儲這么多數(shù)據(jù)的同時對該量子態(tài)進(jìn)行操作并進(jìn)行計算，需要不斷地在不同的計算節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通訊開銷對于普通云服務(wù)是難以承受的。

在阿里巴巴計算平臺的在線集群上，實驗室團(tuán)隊采用了第二類模擬方案，通過快速有效的計算任意振幅，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)，極少的通信開銷使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計算平臺。

在本研究成果之前，對于兩種模擬方案，全球尚未有研究團(tuán)隊可以成功模擬谷歌超過50比特40層的第一代隨機(jī)測試電路。在達(dá)摩院量子實驗室團(tuán)隊的模擬器內(nèi)還可以每2分鐘計算64比特40層隨機(jī)電路的一個振幅。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驗室量子科學(xué)家陳建鑫與實習(xí)生張放，作者還有實習(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，量子計算進(jìn)入兩極世界

今年三月，在洛杉磯舉行的美國物理學(xué)會年會上，谷歌展示了一個新的量子處理器Bristlecone。這個基于門的超導(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“X”代表一個量子比特，量子比特之間以線性陣列方式相連。來源：Google Quantum AI Lab

谷歌量子AI實驗室研究科學(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個量子比特量子計算機(jī)的線性陣列技術(shù)所對應(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)錯誤率（1%）、單量子比特門（0.1%）以及最重要的雙量子比特門（0.6%）。

該設(shè)備使用與9個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)展為一個包含72個量子比特的正方形數(shù)組。

谷歌研究人員計算后認(rèn)為，量子霸權(quán)的目標(biāo)可以通過使用49個量子比特，一個超過40的電路深度，一個低于0.5%的2個比特誤差進(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，是因為量子霸權(quán)之路遇到了對手IBM。

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

50個量子比特被普遍認(rèn)為可以進(jìn)行普通超級計算機(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。

因為谷歌和IBM的量子處理器都是通過超導(dǎo)來實現(xiàn)量子計算，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有可能爆發(fā)，那就是微軟。

微軟押注拓?fù)淞孔佑嬎悖m然目前還沒有做出來相互作用的量子比特，但一直在開發(fā)量子硬件以及量子計算機(jī)軟件開發(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，來自外部環(huán)境的微小震動或能量都可能導(dǎo)致計算錯誤。

而微軟的拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)可能能夠大大降低噪音。微軟量子計算業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Julie Love曾說：“我們的一個量子比特將會有1000個、甚至10000個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，宇宙中第一個拓?fù)淞孔颖忍貙⒃诮衲瓯l(fā)，而微軟是有可能做出來的。

事實也證明，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能工作的量子計算機(jī)，這將是至關(guān)重要的。

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