近期，据报道，中科院正在研制中国首台量子计算机，而且预计最近几年可能研发成功。
量子计算机的计算能力有多强？中科院院长白春礼举了一个形象的例子：如果要求解一个亿亿亿变量的方程组，如果用亿亿次的当今第一超级计算机天河二号计算，需要长达100年，而使用一台万亿次的量子计算机计算，只需区区0.01秒。
关于量子计算机性能超越传统计算机这一关键转折点，计算机科学家有个专有名词，即“量子霸权”。从各方面来看，这样的转折点正在临近。
一般认为，能够处理49个量子位的量子计算机性能将可以匹敌全球最强大的超级计算机。如果量子计算机的规模进一步扩大，那么性能将远远超出传统计算机。
目前这还无法成为现实。一个重要问题在于，我们如何才能知道，这些量子计算机的工作是否符合期望。因此，计算机科学家开始利用强大的传统计算机去模拟量子计算机的行为。
这里的关键是在人类仍有能力的情况下，尽可能准确地测定量子计算机的行为。在此之后，我们只能完全信任量子世界所发生的一切。
当然，到目前为止，还没有任何人有能力模拟包含49个量子位的量子计算机。
本周，瑞士苏黎世联邦理工学院的Thomas Haner和Damian Steiger公布了迄今为止目标最远大的一项实验计划。
研究团队利用了全球排名第五的超级计算机，模拟由45个量子位组成的量子计算机的行为。Haner和Steiger表示：“就我们所知，以模拟的量子位个数来看，这创造了新纪录。”他们也证明了，这样的模拟可以有多么强大。
由于量子计算机能够实现的计算复杂度，这样的模拟非常困难。量子计算机的计算能力来自叠加态这种量子现象，即一个量子微粒，例如光子，同时可以处于超过一种状态。
例如，水平极化的光子可以代表0，而垂直极化的光子可以代表1。但如果一个光子同时处于水平极化和垂直极化的叠加态，那么在计算中就可以同时代表0和1。
通过这种方式，2个光子可以代表4个数字，3个量子可以代表8个数字，以此类推。这就解释了为何量子计算机的计算能力如此强大，为何传统计算机的性能相形见绌。
例如，50个光子就可以代表10的16次方个数字，而传统计算机需要1PB（1024TB）规模的内存，才能存储这些数字。
在传统计算机中处理这些数据则是规模更大的任务。这是由于，大部分超级计算机由多个处理单元组成，这些处理单元通过相互连接形成计算网络。因此，管理不同节点之间的数据流将造成巨大的通信负荷。
这样的挑战限制了传统计算机模拟量子计算机的规模。目前的世界纪录是模拟42个量子位，这一成就是Julich超级计算机在2010年取得的。自那时以来，由于计算负荷的问题，这方面未能取得太大进展。
由于Haner和Steiger的工作，这样的情况将发生改变。他们的突破在于寻找多种方式去降低计算负荷，使模拟速度比以往提升至少1个数量级。
研究人员已在加州劳伦斯伯克利国家实验室Cori II超级计算机的一系列模拟中应用了这些技术。这台超级计算机包含9304个节点，每个节点都包含68核英特尔至强Phi 7250处理器，运行频率为1.4GHz。峰值性能为每秒29.1千万亿次浮点运算，内存则为1PB。
这台超级计算机以首位女性诺贝尔医学奖得主Gerty Cori来命名，是全球排名第五的超级计算机。
Haner和Steiger使用这台超级计算机模拟了包含30、36、42和45个量子位的量子计算机。在规模最大的一次模拟中，他们使用了0.5PB的内存和8192个节点，实现的性能为每秒0.428千万亿次浮点运算。
这距离发挥Cori II超级计算机的峰值性能还有很大差距。研究团队表示，这是由于大量计算性能都被用于处理通信负荷，而通信负荷仍占据了75%的计算时间。
Haner和Steiger比较了在性能较弱的超级计算机Edsion上，对30和36个量子位进行模拟的结果。这台超级计算机同样属于劳伦斯伯克利实验室。他们发现，他们的方法同样可以加速计算。“这表明，实现的速度提升并不仅仅是启用新一代硬件（即Cori II超级计算机）的结果。”
他们认为，这样的技术进步表明，对49个量子位的模拟将在不久的将来实现。
这方面的工作将为未来量子计算机的发展铺平道路。其中获得的数据将扮演重要角色，使物理学家能够知道，当“量子霸权”最终到来时，量子计算究竟有多么强大。毫无疑问，这一天不会太远。
原文发布时间为：2017-12-11
本文作者：陶卿
本文来源：九州量子，如需转载请联系原作者。
