關(guān)于量子計算機(jī)性能超越傳統(tǒng)計算機(jī)這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，計算機(jī)科學(xué)家有個專有名詞，即“量子霸權(quán)”。從各方面來看，這樣的轉(zhuǎn)折點正在臨近。
一般認(rèn)為，能夠處理49個量子位的量子計算機(jī)性能將可以匹敵全球最強(qiáng)大的超級計算機(jī)。如果量子計算機(jī)的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，那么性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機(jī)。
目前這還無法成為現(xiàn)實。一個重要問題在于，我們?nèi)绾尾拍苤溃@些量子計算機(jī)的工作是否符合期望。因此，計算機(jī)科學(xué)家開始利用強(qiáng)大的傳統(tǒng)計算機(jī)去模擬量子計算機(jī)的行為。
這里的關(guān)鍵是在人類仍有能力的情況下，盡可能準(zhǔn)確地測定量子計算機(jī)的行為。在此之后，我們只能完全信任量子世界所發(fā)生的一切。
當(dāng)然，到目前為止，還沒有任何人有能力模擬包含49個量子位的量子計算機(jī)。本周，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Thomas Haner和Damian Steiger公布了迄今為止目標(biāo)最遠(yuǎn)大的一項實驗計劃。
研究團(tuán)隊利用了全球排名第五的超級計算機(jī)，模擬由45個量子位組成的量子計算機(jī)的行為。Haner和Steiger表示：“就我們所知，以模擬的量子位個數(shù)來看，這創(chuàng)造了新紀(jì)錄。”他們也證明了，這樣的模擬可以有多么強(qiáng)大。
由于量子計算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的計算復(fù)雜度，這樣的模擬非常困難。量子計算機(jī)的計算能力來自疊加態(tài)這種量子現(xiàn)象，即一個量子微粒，例如光子，同時可以處于超過一種狀態(tài)。
例如，水平極化的光子可以代表0，而垂直極化的光子可以代表1。但如果一個光子同時處于水平極化和垂直極化的疊加態(tài)，那么在計算中就可以同時代表0和1。
通過這種方式，2個光子可以代表4個數(shù)字，3個量子可以代表8個數(shù)字，以此類推。這就解釋了為何量子計算機(jī)的計算能力如此強(qiáng)大，為何傳統(tǒng)計算機(jī)的性能相形見絀。
例如，50個光子就可以代表10的16次方個數(shù)字，而傳統(tǒng)計算機(jī)需要1PB（1024TB）規(guī)模的內(nèi)存，才能存儲這些數(shù)字。
在傳統(tǒng)計算機(jī)中處理這些數(shù)據(jù)則是規(guī)模更大的任務(wù)。這是由于，大部分超級計算機(jī)由多個處理單元組成，這些處理單元通過相互連接形成計算網(wǎng)絡(luò)。因此，管理不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流將造成巨大的通信負(fù)荷。
這樣的挑戰(zhàn)限制了傳統(tǒng)計算機(jī)模擬量子計算機(jī)的規(guī)模。目前的世界紀(jì)錄是模擬42個量子位，這一成就是Julich超級計算機(jī)在2010年取得的。自那時以來，由于計算負(fù)荷的問題，這方面未能取得太大進(jìn)展。
由于Haner和Steiger的工作，這樣的情況將發(fā)生改變。他們的突破在于尋找多種方式去降低計算負(fù)荷，使模擬速度比以往提升至少1個數(shù)量級。
研究人員已在加州勞倫斯伯克利國家實驗室Cori II超級計算機(jī)的一系列模擬中應(yīng)用了這些技術(shù)。這臺超級計算機(jī)包含9304個節(jié)點，每個節(jié)點都包含68核英特爾至強(qiáng)Phi 7250處理器，運行頻率為1.4GHz。峰值性能為每秒29.1千萬億次浮點運算，內(nèi)存則為1PB。
這臺超級計算機(jī)以首位女性諾貝爾醫(yī)學(xué)獎得主Gerty Cori來命名，是全球排名第五的超級計算機(jī)。
Haner和Steiger使用這臺超級計算機(jī)模擬了包含30、36、42和45個量子位的量子計算機(jī)。在規(guī)模最大的一次模擬中，他們使用了0.5PB的內(nèi)存和8192個節(jié)點，實現(xiàn)的性能為每秒0.428千萬億次浮點運算。
這距離發(fā)揮Cori II超級計算機(jī)的峰值性能還有很大差距。研究團(tuán)隊表示，這是由于大量計算性能都被用于處理通信負(fù)荷，而通信負(fù)荷仍占據(jù)了75%的計算時間。
Haner和Steiger比較了在性能較弱的超級計算機(jī)Edsion上，對30和36個量子位進(jìn)行模擬的結(jié)果。這臺超級計算機(jī)同樣屬于勞倫斯伯克利實驗室。他們發(fā)現(xiàn)，他們的方法同樣可以加速計算。“這表明，實現(xiàn)的速度提升并不僅僅是啟用新一代硬件（即Cori II超級計算機(jī)）的結(jié)果。”
他們認(rèn)為，這樣的技術(shù)進(jìn)步表明，對49個量子位的模擬將在不久的將來實現(xiàn)。
這方面的工作將為未來量子計算機(jī)的發(fā)展鋪平道路。其中獲得的數(shù)據(jù)將扮演重要角色，使物理學(xué)家能夠知道，當(dāng)“量子霸權(quán)”最終到來時，量子計算究竟有多么強(qiáng)大。毫無疑問，這一天不會太遠(yuǎn)。
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