墨尔本大学团队宣布实现60量子比特量子计算模拟

近日，墨尔本大学的研究团队宣布，他们首次成功模拟了 60 量子比特的量子计算机上 shor 算法的运行，创造了新的世界纪录。其所模拟的量子比特数目也成功跻身于全球领先行列。

此外，该研究通过优化算法，使算法生成的矩阵积态（Matrix Product State）可对量子态进行表征，降低了量子计算机模拟过程中对传统计算机运算能力和存储资源的要求。

用传统计算机模拟量子计算是很棘手的事情。传统计算机使用二进制比特进行编码和运算，二进制比特有两种可能的状态：0 或 1，每一个比特每一个瞬间只能取其中一种状态。而量子计算机使用的量子比特，并不只是一个逻辑概念，它的量子特性要求每一个比特还必需是一个微观粒子，比如原子或光子。量子比特在测量到之前可以处于 0 和 1 的叠加态 (superposition)，每一次观测会使它以一定的概率塌缩到其中一个状态中去。比如两个传统比特的在每一瞬间只能为：00，01，10，11 的四种，但是两个量子比特却处于这四种状态（22）的叠加，每一种状态都有一定的概率被观察到。

同理，一个 50 量子比特的计算机便处于 250 个状态的叠加态。“要模拟这 50 个量子比特的状态，就需要 250 个传统比特来同时储存每一种可能，”墨尔本大学教授 Lloyd Hollenberg 解释到。这 250 个状态中的每一个都用复数表示，一个复数占用 128 比特，这就需要 18 PB 的容量（1 PB=1024 TB≈106 GB），只有超级计算机才有这么大的容量来储存。换句话说，模拟一个 50 个量子比特的计算机，就要吃掉 18 PB 的内存，这相当于一百万台 16 GB 内存的笔记本电脑的总合。模拟 60 量子比特就需要 18000 PB 的存储，这相当于 10 亿台笔记本电脑。

这还仅仅是存储，如果要跑一个算法呢？

Hollenberg 是量子计算和通信中心的副主任，在一篇还未发表的论文中，他与合作者描述了一种对秀尔（shor）算法的优化模拟方法。秀尔算法以数学家彼得秀尔命名，是一种针对因数分解的量子算法。传统意义上讲，分解质因数一直是世界难题，而这个领域也被认为是量子计算机最有潜力超越传统计算机的领域。

找到一个 232 位的半素数（两个素数的乘积）的质数因子，一台超级计算机要算两年时间，普通的笔记本电脑则要算 2000 年。而且半素数每增加一位，分解难度就呈指数级增加。当然，如此大的计算量也带来了一个好处，比如 RSA 公钥加密系统就是用非常大的半素数作为密钥。破解这种密钥几乎不可能，RSA-240 密钥至今都没有被破解。

墨尔本大学研究人员针对分解半素数的一个简单版本： 961307 可以分解为哪两个素数的乘积，对拥有 60 量子比特的量子计算机进行模拟。虽然这个问题对于一台普通的笔记本电脑来说并不是难事。但是，目前量子计算机的发展还不能够解决这种问题。

“我们想要提高自身的极限，然后看一下针对某一特定的算法问题，我们可以优化我们的模拟计算能力到什么样的水平。在这项模拟任务中，我们发现可以针对算法中量子纠缠的度来规划我们的模拟计算。”Hollenberg 说。研究人员对秀尔算法进行了优化，发现“算法中的纠缠结构可以使用一种特定的矩阵积态来表征，这种方法可降低对传统计算机的要求。”

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60 个比特所处不同状态的概率“森林”

为了模拟 60 量子比特的量子计算，研究人员在 Pawsey 超算中心一共动用了 216 个结点，5184 个计算核心和 13.824TB 的内存，花费了 8 个小时。“这次模拟几乎用掉了 Pawsey 所有分配的算时，好在我们成功了”，Dang 说。“据我们所知，这是对秀尔算法的最大规模的一次模拟。”

对量子计算机的模拟---即使用来解决这样一个简单的问题---也会帮助研究人员更好的理解和测试量子计算机未来所面对的问题，以便在真正的量子计算时代到来之时，做好准备。一直以来，业界共识是，50-100 量子比特已经超出传统计算模拟的范围，而成功地模拟 60 量子比特，让这一边界向前推进，可以让我们更好的理解量子计算优越性的标准。

这次模拟也意味着，量子计算机可以更好地进行基准测试和验证了。“模拟量子计算的能力越强，就可以更好地对真正的量子计算机进行基准测试”，Hollenberg 补充到。“这个水平的模拟量子算法，对了解量子计算机的物理操作，软件运行和能解决的问题，都起到了至关重要的作用。”

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