阿里巴巴研製出全球最強量子電路模擬器「太章」！已成功模擬谷歌隨機量子電路

來自專欄 DeepTech深科技

5月8日，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣佈於近日成功研製當前世界最強的量子電路模擬器，名為「太章」。 太章取自：《淮南子·墬形訓》：「禹乃使太章步自東極至於西極，二億三萬三千五百里七十五步。」「太章」模擬器目的是用一種經典，我們能理解的方式來理解量子的運行，就跟太章徒步測量東極至西極的距離那樣。

基於阿里巴巴集團計算平台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層的作為基準的谷歌隨機量子電路，之前達到這個層數的模擬器只能處理49比特。

本次研究成果arXiv論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/1805.01450

同時，本次模擬任務只動用了阿里巴巴計算平台在線集群14%的計算資源。「太章」的創新演算法通信開銷極小，得以充分發揮平台在線集群的優勢，在過去超級計算機上做不了的模擬任務，比如64（8x8）比特40層的模擬，「太章」只需2分鐘即可完成。

圖丨阿里巴巴「太章」模擬器與目前主要模擬器模擬谷歌隨機電路的結果比較

量子計算可能顛覆當前的計算技術，是科學界和工業界研究的前沿熱點。但量子計算的實現十分困難。目前，已經實現的高精度量子處理器也只有20幾個量子比特。故而規模稍大的量子演算法尚無運行的載體。

模擬器的作用在於「承上啟下」，往下可以幫助理解、設計硬體，向上可以承載演算法和應用的探索和驗證。「太章」首次使得測試和驗證被稱為「中等規模」50-200比特的的量子演算法成為可能, 從而為輔助設計中等規模量子演算法、量子軟體乃至量子晶元提供了一個有力的工具。

在通常的量子電路模擬方案中，需要存儲量子狀態的全部振幅，在此海量數據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點間交換數據，造成巨大的通訊開銷。因此，過去這樣的模擬任務往往都在超級計算機上進行。

實驗室團隊基於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，發明了一個簡單而有效的方法分解整個模擬任務，然後十分均衡地把這些子任務分配到不同計算節點上。「太章」的通信開銷極小，這個優點使之十分適合分散式的計算平台。

圖丨「太章」模擬的隨機量子電路規模（黑線）與谷歌量子硬體可以實現的規模(紅線) 比較（基於谷歌在[Characterizing quantum supremacy in near-term devices]中對7x7的估計）*

作為基準的隨機量子電路是谷歌提出為實現「量子霸權」的演算法。「量子霸權」指的是量子處理器的規模和精度到達無法被經典計算模擬的程度。谷歌今年3月份提出了未來工作的目標： 72比特高精度的量子處理器。「太章」的結果表明這一計劃中的處理器如果只運行該基準演算法仍不足於達到量子霸權。

本次研究成果也提交到預印本網站arXiv，文章並列第一作者為量子實驗室量子科學家陳建鑫博士與實習生張放，作者還有實習生黃甲辰和Michael Newman博士。

阿里巴巴量子實驗室由美國密西根大學終身教授、世界著名量子科學家施堯耘擔任首席量子技術科學家、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家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）於今年年初也加入該實驗室。值得關注的是，施堯耘和馬里奧·塞格德都已經加入了阿里巴巴打造前沿技術的新機構——達摩院。

*谷歌[Characterizing quantum supremacy in near-term devices]：https://www.nature.com/articles/s41567-018-0124-x

2017 年 10 月 11 日上午，在 2017 杭州·雲棲大會上，阿里巴巴集團 CTO 張建峰正式宣布成立執行「NASA 計劃」的實體組織、阿里巴巴全球研究院——「達摩院」，預計 3 年的時間內投入 1000 億人民幣，進行基礎科學和顛覆式技術創新研究。

時至今日，達摩院已經有了初步的一些動作。例如，今年 4 月 20 日，阿里巴巴就宣布全資收購中國大陸唯一的自主嵌入式 CPU IP Core 公司——中天微系統，同時就有新聞傳出達摩院正研發一款神經網路晶元——Ali-NPU，預計性能是主流 AI 晶元的 10 倍，將運用於圖像視頻分析、機器學習等 AI 推理計算。

不到一個月，達摩院就再下一城，5 月 3 日，阿里巴巴就宣布完成了對先聲互聯的收購，先聲互聯創始人、中科院聲學所前研究員付強博士入職達摩院，負責語音交互前端處理技術和方案的研發。

達摩院將實行院長負責制，由阿里巴巴集團 CTO 張建鋒擔任首任院長，其秉持著「以科技，創新世界」的使命，與阿里巴巴現有研發體系保持相對獨立，潛心研究面向未來的核心科技。

圖丨阿里巴巴集團 CTO 張建鋒宣布成立達摩院

據悉，阿里巴巴達摩院由全球建設的自主研究中心、與高校和研究機構建立的聯合實驗室、全球開放研究項目——阿里巴巴創新研究計劃（AIR 計劃）三大部分組成，囊括量子計算、機器學習、基礎演算法、網路安全、視覺計算、自然語言處理、人機自然交互、晶元技術、感測器技術、嵌入式系統等，涵蓋機器智能、智聯網、金融科技等多個領域。

自主研究中心：阿里巴巴達摩院將構建亞洲達摩院、美洲達摩院及歐洲達摩院三大全球分部，並在北京、杭州、新加坡、以色列、聖馬特奧、貝爾維尤、莫斯科等地設立不同研究方向的實驗室，初期計劃引入 100 名頂尖科學家。

產學研合作共同體：目前已建立了浙江大學—阿里巴巴前沿技術聯合研究中心、UC Berkeley RISE 實驗室、清華大學—螞蟻金服金融科技聯合實驗室和中國科學院—阿里巴巴量子計算實驗室。

全球開放研究項目：現主要為阿里巴巴創新研究計劃（AIR 計劃），據了解，該計劃覆蓋了包括自然語言處理、機器學習、計算技術、數據中心等 14 個前沿技術領域的、29 個來自業務一線的技術研究課題。旨在解決社會經濟發展中的「新技術」難題。

而其中最重要的，就是延續阿里雲在2015年宣布聯合中科院成立一個全新的實驗室，共同開展在量子信息科學領域的前瞻性研究，研製量子計算機。當天，「中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室」正式在上海成立。

量子實驗室由美國密西根大學終身教授、世界著名量子科學家施堯耘擔任首席量子技術科學家、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家馬里奧·塞格德（Mario Szegedy）於今年年初也加入該實驗室。實驗室正處於人才引進的高速增長時期。

兩年的時間過去，量子實驗室在2017年推出全球首部光量子計算平台，與主流的Gate Model，或者是理論上最為成熟的Annealing等超導量子計算走上完全不同的量子計算道路。

光學的邏輯門操作主要通過偏振片實現，而超導方案則是通過射頻信號來實現，其次，光學量子計算主要以光子的偏振自由度、角動量等作為量子比特的變化量測對象，而超導量子計算基於約瑟夫森結，可以是flux或者charge作為量子比特。

不過光量子技術在量子比特的增加難度上要遠高於傳統超導量子計算，2017年提出的架構為10量子比特的架構，相較超導量子計算方案最高已經達到72量子比特仍有相當大的進步空間。

而為了為往後研發量子計算鋪平道路，阿里巴巴這次提出了針對量子計算平台專用的量子電路模擬器。

為何要模擬量子電路？

量子計算可能顛覆當前的計算技術，是科學界和工業界研究的前沿熱點。但量子計算的實現十分困難。目前，已經實現的高精度量子處理器也只有20幾個量子比特。故而規模稍大的量子演算法尚無運行的載體。

模擬器的作用在於「承上啟下」，往下可以幫助理解、設計硬體，向上可以承載演算法和應用的探索和驗證。「太章」首次使得測試和驗證被稱為「中等規模」50-200比特的的量子演算法成為可能, 從而為輔助設計中等規模量子演算法、量子軟體乃至量子晶元提供了一個有力的工具。

在通常的量子電路模擬方案中，需要存儲量子狀態的全部振幅，在此海量數據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點間交換數據，造成巨大的通訊開銷。因此，過去這樣的模擬任務往往都在超級計算機上進行。

實驗室團隊基於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，發明了一個簡單而有效的方法分解整個模擬任務，然後十分均衡地把這些子任務分配到不同計算節點上。

「太章」的通信開銷極小，這個優點使之十分適合分散式的計算平台。

在量子計算目前的模型中，有一類是量子電路模型，實現形式是將信息存儲在量子比特中，通過類似經典邏輯門的量子門來實現計算。達摩院量子實驗室團隊量子科學家陳建鑫與實習生張放實現了一種基於分散式的通用量子電路模擬方案，並基於研究的模擬器對谷歌第一版的隨機量子電路進行了測試。

利用阿里計算平台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，可以說是量子計算產業中最重要的成就之一，不下於量子計算架構本身。

量子技術的重要性

量子計算代表的是算力的猛爆性成長，中科院曾經對量子計算進行了簡單的解釋：傳統計算使用二進位的運算規則，通過0和1記錄信息狀態，每一個計算步驟能做到的只有2的一次方，2次運算。而量子計算器則是由量子狀態來描述信息，比如，2個量子態（亦可稱作2個比特）的量子計算器，每一步驟可做到2的2次方，也就是4次運算。3個比特的量子計算器，每一步可以對信息做到2的3次方，8次計算。

這就是量子疊加，能同時處於兩種狀態的量子能並行處理兩個問題，相當於左手和右手同時都能寫作業，而每增加一個量子，這樣的能力還要繼續翻倍。

我們可以用一個理想實驗來比擬：也就是通過裝在盒子裡面的貓來表達量子狀態，盒子裡面同時裝著貓和毒氣設備，若毒氣釋放出來，貓就會死，然而根據量子力學原理，在打開盒子前，這隻貓會同時存在死和活的疊加狀態，但只要打開盒子，貓的狀態就會塌陷成一種，也就是非死即活，這也造成了量子的不穩定性。

以上就是著名的」薛丁格的貓」實驗，當然，DT君鼓勵各位吸貓，但不鼓勵各位進行這種危險的實驗。

而前面提到的量子狀態疊加，其實就是量子糾纏的表現，當兩個粒子距離夠近，它們就會糾纏在一起，而糾纏過後的兩個粒子即便分開，還是會持續互相影響，而且不論距離多遠。也因為這個特性，量子糾纏除了被應用來作為計算，也被使用來發展新的通訊技術。

由於量子計算所能帶來的算力成長遠超過目前半導體IC所能達到的程度，加上目前半導體工藝已經邁入瓶頸，未來工藝的發展只能是大者恆大，台積電做為全球半導體工藝霸主，可說已經是無法改變的事實，而中國若走上既有的半導體發展路線，即便投入再多資本，仍絕不可能實現彎道超車這個目標，也因此，量子計算的發展也成為國家極為重視的項目。

而阿里巴巴除了是依循國家政策推動量子計算髮展，同時也是要確保其雲計算生態未來能夠通過量子計算的龐大算力取得更大的市場優勢。

量子技術的發展

現在在全球範圍的量子計算髮展中，進展最快的有3類量子計算機：光量子計算機、超冷原子量子計算機、超導量子計算機。

超導量子計算可以說是最普遍的量子技術，IBM、英特爾和Google正在發展的Gate Model量子計算架構皆屬於超導量子計算，知名的Annealing量子退火技術技術是由D-Wave獨家開發，同樣屬於超導量子計算，但比較偏向專用演算法，而非通用。

而繼IBM於2017年底發表50量子比特的量子計算機之後，英特爾也在2018年CES上發表49量子比特的架構，Google甚至在今年三月對外展示72量子比特的方案。隨著可同時運作的量子比特數不斷增加，代表可實用化的量子計算已經越來越接近現實世界，甚至可能影響整個數字世界。

一般而言，如果要建造一個2000Qubit的量子計算器，就必須在晶元上集成200萬個以上的Qubit單元，而IBM所使用的Gate-Model架構，就必須使用高達數百萬個Qubit以上，因此在晶元成本或者是晶元的設計複雜度上，Gate-Model遠複雜於非通用的標準Annealing架構。

值得注意的是，微軟主導的TopoLogical量子計算架構使用了Majorana particle(馬約拉納粒子)，微軟研究人員稱之為天使粒子，來作為量子計算的核心，理論上，要建造一個1Qubit的TopoLogical量子計算器，只需要一個Majorana particle，而不需要額外的糾錯設計，就理論上而言，會是個極具競爭力的量子計算架構。然而Majorana particle目前只存在於理論上，微軟還在尋求技術上的突破，但根據其最新的報告，這種新粒子似乎已經有了眉目，如果真的獲得突破，有可能一舉扭轉微軟在量子計算的落後地位。

D-Wave的Annealing技術雖然有其應用限制，但是理論最成熟，實作也最快，複雜度也相對可接受，藉此能夠領先業界十年，推出世界上首部商用的量子計算器。但隨著物理模擬、新葯合成、空間探索，甚至區塊煉的量子化等多元計算場景不斷被提出，推動量子計算架構的大公司期望能夠讓量子計算深入所有的應用領域，通用化就成為重點。也因此，誰能夠先推出算力夠大，且更易於生產的量子計算平台，誰就有可能掌握量子霸權。

雖然超導量子計算由國際大廠領頭，但光量子計算就可說是中國量子計算髮展的重要里程碑，由中國科學技術大學潘建偉院士、陸朝陽教授領導的團隊打造出全球首個光量子計算平台。而這也是阿里巴巴的共同發展成果。

Google的72量子比特計算架構仍不足以成就霸權

作為基準的隨機量子電路是谷歌提出為實現「量子霸權」的演算法。「量子霸權」指的是量子處理器的規模和精度到達無法被經典計算模擬的程度。谷歌今年3月份提出了未來工作的目標： 72比特高精度的量子處理器。

「太章」的結果表明這一計劃中的處理器如果只運行該基準演算法仍不足於達到量子霸權。

本次研究成果也提交到預印本網站arXiv，文章並列第一作者為量子實驗室量子科學家陳建鑫博士與實習生張放，作者還有實習生黃甲辰和Michael Newman博士。