破世界纪录！60量子比特的量子计算模拟实现了

近日，墨尔本年夜学的研究团队颁布发表，他们初次当作功模拟了 60 量子比特的量子计较机上 shor 算法的运行，缔造了新的宿世界记载。其所模拟的量子比特数量也当作功跻身于全球领先行列。

此外，该研究经由过程优化算法，使算法生当作的矩阵积态（Matrix Product State）可对量子态进行表征，降低了量子计较机模拟过程中对传统计较机运算能力和存储资本的要求。

用传统计较机模拟量子计较是很棘手的工作。传统计较机利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况：0 或 1，每一个比特每一个刹时只能取此中一种状况。而量子计较机利用的量子比特，并不只是一个逻辑概念，它的量子特征要求每一个比特还必需是一个微不雅粒子，好比原子或光子。量子比特在测量到之前可以处于 0 和 1 的叠加态 (superposition)，每一次不雅测会使它以必然的概率塌缩到此中一个状况中去。好比两个传统比特的在每一刹时只能为：00，01，10，11 的四种，可是两个量子比特却处于这四种状况（22）的叠加，每一种状况都有必然的概率被不雅察到。

同理，一个 50 量子比特的计较机便处于 250 个状况的叠加态。“要模拟这 50 个量子比特的状况，就需要 250 个传统比特来同时储存每一种可能，”墨尔本年夜学传授 Lloyd Hollenberg 诠释到。这 250 个状况中的每一个都用复数暗示，一个复数占用 128 比特，这就需要 18 PB 的容量（1 PB=1024 TB≈106 GB），只有超等计较机才有这么年夜的容量来储存。换句话说，模拟一个 50 个量子比特的计较机，就要吃失落 18 PB 的内存，这半斤八两于一百万台 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，这半斤八两于 10 亿台笔记本电脑。

这还仅仅是存储，若是要跑一个算法呢？

Hollenberg 是量子计较和通信中间的副本家儿任，在一篇还未颁发的论文中，他与合作者描述了一种对秀尔（shor）算法的优化模拟方式。秀尔算法以数学家彼得秀尔定名，是一种针对因数分化的量子算法。传统意义上讲，分化质因数一向是宿世界难题，而这个范畴也被认为是量子计较机最有潜力超越传统计较机的范畴。

找到一个 232 位的半素数（两个素数的乘积）的质数因子，一台超等计较机要算两年时候，通俗的笔记本电脑则要算 2000 年。并且半素数每增添一位，分化难度就呈指数级增添。当然，如斯年夜的计较量也带来了一个益处，好比 RSA 公钥加密系统就是用很是年夜的半素数作为密钥。破解这种密钥几乎不成能，RSA-240 密钥至今都没有被破解。

墨尔本年夜学研究人员针对分化半素数的一个简单版本： 961307 可以分化为哪两个素数的乘积，对拥有 60 量子比特的量子计较机进行模拟。固然这个问题对于一台通俗的笔记本电脑来说并不是难事。可是，今朝量子计较机的成长还不克不及够解决这种问题。

“我们想要提高自身的极限，然后看一下针对某一特心猿意马的算法问题，我们可以优化我们的模拟计较能力到什么样的程度。在这项模拟使命中，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较。”Hollenberg 说。研究人员对秀尔算法进行了优化，发现“算法中的纠缠布局可以利用一种特心猿意马的矩阵积态来表征，这种方式可降低对传统计较机的要求。”

图 | 60 个比特所处分歧状况的概率“丛林”

为了模拟 60 量子比特的量子计较，研究人员在 Pawsey 超算中间一共动用了 216 个结点，5184 个计较焦点和 13.824TB 的内存，破费了 8 个小时。“此次模拟几乎用失落了 Pawsey 所有分派的算时，好在我们当作功了”，Dang 说。“据我们所知，这是对秀尔算法的最年夜规模的一次模拟。”

对量子计较机的模拟---即利用来解决如许一个简单的问题---也会帮忙研究人员更好的理解和测试量子计较机将来所面临的问题，以便在真正的量子计较时代到来之时，做好筹办。一向以来，业界共识是，50-100 量子比特已经超出传统计较模拟的规模，而当作功地模拟 60 量子比特，让这一鸿沟标的目的前推进，可以让我们更好的理解量子计较优胜性的尺度。

此次模拟也意味着，量子计较机可以更好地进行基准测试和验证了。“模拟量子计较的能力越强，就可以更好地对真正的量子计较机进行基准测试”，Hollenberg 弥补到。“这个程度的模拟量子算法，对领会量子计较机的物理操作，软件运行和能解决的问题，都起到了至关主要的感化。”

文章出处：百度知道日报（）