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?xún)H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)仉娮由痰甑拇蛘巯淅锘厥盏牧慵?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(hù)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。”Garnet 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。