阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布于近日成功研制當(dāng)前世界最強的量子電路模擬器，名為“太章”。 基于阿里巴巴集團計算平臺在線集群的超強算力，“太章”在世界上率先成功模擬了81（9x9）比特40層的作為基準(zhǔn)的谷歌隨機量子電路，之前達到這個層數(shù)的模擬器只能處理49比特。
量子霸權(quán)似乎在上演一場“接力戰(zhàn)”。
2月，IBM對外展示了其50個量子比特原型機，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖也曝光；
3月，谷歌公布72位量子比特處理器Bristlecone。
3月底，微軟發(fā)現(xiàn)天使粒子——馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的有力證據(jù)，有望年底前得到可工作的量子比特。
現(xiàn)在，輪到阿里上場了。
5月8日，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布于近日成功研制當(dāng)前世界最強的量子電路模擬器，名為“太章”。
基于阿里巴巴集團計算平臺在線集群的超強算力，“太章”在世界上率先成功模擬了81（9x9）比特40層的作為基準(zhǔn)的谷歌隨機量子電路，之前達到這個層數(shù)的模擬器只能處理49比特。
同時，本次模擬任務(wù)只動用了阿里巴巴計算平臺在線集群14%的計算資源?！疤隆钡膭?chuàng)新算法通信開銷極小，得以充分發(fā)揮平臺在線集群的優(yōu)勢，在過去超級計算機上做不了的模擬任務(wù)，比如64（8x8）比特40層的模擬，“太章”只需2分鐘即可完成。
阿里巴巴“太章”模擬器與目前主要模擬器模擬谷歌隨機電路的結(jié)果比較
“太章”模擬的隨機量子電路規(guī)模與谷歌量子硬件可以實現(xiàn)的規(guī)模對比
量子計算可能顛覆當(dāng)前的計算技術(shù)，是科學(xué)界和工業(yè)界研究的前沿?zé)狳c。但量子計算的實現(xiàn)十分困難。目前，已經(jīng)實現(xiàn)的高精度量子處理器也只有20幾個量子比特。故而規(guī)模稍大的量子算法尚無運行的載體。
模擬器的作用在于“承上啟下”，往下可以幫助理解、設(shè)計硬件，向上可以承載算法和應(yīng)用的探索和驗證。“太章”首次使得測試和驗證被稱為“中等規(guī)?！?0-200比特的的量子算法成為可能, 從而為輔助設(shè)計中等規(guī)模量子算法、量子軟件乃至量子芯片提供了一個有力的工具。
在通常的量子電路模擬方案中，需要存儲量子狀態(tài)的全部振幅，在此海量數(shù)據(jù)上同時模擬量子運算。這個方法要求不斷地在眾多的計算節(jié)點間交換數(shù)據(jù)，造成巨大的通訊開銷。因此，過去這樣的模擬任務(wù)往往都在超級計算機上進行。
實驗室團隊基于施堯耘教授及其合作者Igor Markov在2005年提出的另一種模擬方案，發(fā)明了一個簡單而有效的方法分解整個模擬任務(wù)，然后十分均衡地把這些子任務(wù)分配到不同計算節(jié)點上。“太章”的通信開銷極小，這個優(yōu)點使之十分適合分布式的計算平臺。
“太章”模擬的隨機量子電路規(guī)模（黑線）與谷歌量子硬件可以實現(xiàn)的規(guī)模(紅線) 比較（基于谷歌在[Characterizing quantum supremacy in near-term devices]中對7x7的估計）*
作為基準(zhǔn)的隨機量子電路是谷歌提出為實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的算法?！傲孔影詸?quán)”指的是量子處理器的規(guī)模和精度到達無法被經(jīng)典計算模擬的程度。谷歌今年3月份提出了未來工作的目標(biāo)：72比特高精度的量子處理器。“太章”的結(jié)果表明這一計劃中的處理器如果只運行該基準(zhǔn)算法仍不足于達到量子霸權(quán)。
本次研究成果也提交到預(yù)印本網(wǎng)站arXiv，文章并列第一作者為量子實驗室量子科學(xué)家陳建鑫博士與實習(xí)生張放，作者還有實習(xí)生黃甲辰和Michael Newman博士。
阿里巴巴量子實驗室由美國密西根大學(xué)終身教授、世界著名量子科學(xué)家施堯耘擔(dān)任首席量子技術(shù)科學(xué)家、量子實驗室主任。兩次理論計算機最高獎哥德爾獎得主、匈牙利裔美國計算機科學(xué)家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）于今年年初也加入該實驗室。實驗室正處于人才引進的高速增長時期。
2016年，谷歌提出通過實現(xiàn)二維陣列MxN對應(yīng)的量子比特上的一類特定隨機量子電路來實現(xiàn)量子霸權(quán)的方案，這一類特定隨機量子電路通常被稱為量子霸權(quán)電路。在方案中，認為當(dāng)該二維陣列上的比特數(shù)(MN)達到50, 電路的深度（層數(shù)）到達40左右，現(xiàn)有世界上最強大的超級計算機也無法有效模擬這樣的電路。
8x8二維網(wǎng)格上一個深度為20的量子霸權(quán)電路對應(yīng)的張量網(wǎng)絡(luò)展示
谷歌的硬件團隊希望將在9量子比特1維陣列中實現(xiàn)的1%讀取誤差，0.1%單比特門誤差，0.6%兩比特門誤差保持到更大規(guī)模的量子系統(tǒng)來實現(xiàn)這樣的霸權(quán)電路，并通過這個特定任務(wù)，實現(xiàn)量子硬件對當(dāng)前世界上最強大的經(jīng)典計算資源的超越。此后，若干研究團隊紛紛在不同的超級計算機上對該類電路進行模擬。之前，全球最好的研究結(jié)果尚未同時達到50比特40層。
nxn二維網(wǎng)格上，計算隨機電路輸出每一個振幅的執(zhí)行時間與電路深度的對應(yīng)關(guān)系
在量子計算目前的模型中，有一類是量子電路模型，實現(xiàn)形式是將信息存儲在量子比特中，通過類似經(jīng)典邏輯門的量子門來實現(xiàn)計算。達摩院量子實驗室團隊量子科學(xué)家陳建鑫與實習(xí)生張放實現(xiàn)了一種基于分布式的通用量子電路模擬方案，并基于研究的模擬器對谷歌第一版的隨機量子電路進行了測試。
利用阿里計算平臺的在線集群的少量計算資源(14%左右)實驗室團隊成功使用“太章”模擬器模擬了9x9 x40也就是81比特40層隨機電路，還分別成功模擬
了100比特35層（10x10x35）, 121比特31層（11x11x31）與144比特27層（12x12x27）的隨機量子電路。
目前業(yè)界主流的模擬方案有兩類，一類是存儲量子狀態(tài)的所有振幅，一類是對于任意振幅都可以迅速計算得到結(jié)果。第一類模擬方案，基本都在超級計算機上實現(xiàn)，因為存儲45比特的量子狀態(tài)需要Petabyte量級的內(nèi)存，在存儲這么多數(shù)據(jù)的同時對該量子態(tài)進行操作并進行計算，需要不斷地在不同的計算節(jié)點之間交換數(shù)據(jù)，這樣的通訊開銷對于普通云服務(wù)是難以承受的。
在阿里巴巴計算平臺的在線集群上，實驗室團隊采用了第二類模擬方案，通過快速有效的計算任意振幅，任務(wù)拆分后可以將子任務(wù)十分均衡地分配到不同節(jié)點，極少的通信開銷使得模擬器適配現(xiàn)在廣泛提供服務(wù)的云計算平臺。
在本研究成果之前，對于兩種模擬方案，全球尚未有研究團隊可以成功模擬谷歌超過50比特40層的第一代隨機測試電路。在達摩院量子實驗室團隊的模擬器內(nèi)還可以每2分鐘計算64比特40層隨機電路的一個振幅。本次研究成果也已經(jīng)以論文的形式在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上提交，文章并列第一作者為量子實驗室量子科學(xué)家陳建鑫與實習(xí)生張放，作者還有實習(xí)生黃甲辰和Michael Newman博士。
谷歌、IBM、微軟量子霸權(quán)混戰(zhàn)，施堯耘：超導(dǎo)VS離子阱，量子計算進入兩極世界
今年三月，在洛杉磯舉行的美國物理學(xué)會年會上，谷歌展示了一個新的量子處理器Bristlecone。這個基于門的超導(dǎo)系統(tǒng)目的在于研究量子比特技術(shù)的系統(tǒng)誤差率和可擴展性，以及在量子模擬、優(yōu)化和機器學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。