專訪阿里巴巴量子實驗室：最強量子電路模擬器「太章」到底強在哪？

05-28

來自專欄我是程序員

摘要：刷爆朋友圈的最強量子電路模擬器到底強在哪呢？雲棲社區採訪了阿里巴巴量子實驗室團隊的施堯耘博士和陳建鑫博士來位大家一一解讀。

本月早些時候，阿里巴巴量子實驗室成功研製當前世界最強的量子電路模擬器「太章」的消息引起了一陣熱議，有關量子霸權爭奪戰的言論不絕於耳。根據官方信息，基於阿里巴巴集團計算平台在線集群的超強算力，「太章」在全球範圍內率先成功模擬了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。

關於「太章」本身，此前已經有不少媒體有報道，我們就不再贅述了。那麼最強量子電路模擬器到底強在哪呢？雲棲社區採訪了阿里巴巴量子實驗室團隊的施堯耘博士和陳建鑫博士，為大家做出科普解讀。

此次研究成果的核心成員，陳建鑫表示，量子計算最終實現的形式應該是基於量子硬體，但是電路模擬有其重要意義，在硬體尚不能達到足夠規模與質量的時候，可以作為驗證量子演算法、輔助演算法及硬體設計的工具。

在量子計算領域，目前業界主流的模擬方案有兩種：一是存儲量子狀態的所有振幅，另一種方法是對於任意振幅都可以迅速計算得到結果。阿里巴巴量子實驗室採用的是第二類模擬方案，即在阿里巴巴計算平台的在線集群上，通過快速有效的計算任意振幅，任務拆分後可以將子任務十分均衡地分配到不同節點，極少的通信開銷使得模擬器適配現在廣泛提供服務的雲計算平台。

而在此之前，全球範圍內的研究團隊都未曾成功模擬谷歌超過50比特40層的第一代隨機測試電路。此次「太章」最大的突破在於，阿里巴巴量子實驗室團隊同時將若干層進行並行化。

「我們採用了第二類模擬方案。通常拆分電路模型需要把每一層來並行化，但這樣會導致整個電路層數很大的時候，並行的任務數指數增加過快。我們同時將若干層進行並行化，可以有效控制並行任務數的增加。」陳建鑫說。

此外，他還指出「太章」也在一定程度上說明了谷歌在今年3月提出的72比特40層該隨機電路採樣任務不能超越經典計算機能力，換言之，谷歌Bristlecone晶元目前是無法實現量子霸權的。

以下是雲棲社區對阿里巴巴量子實驗室科學家陳建鑫以及量子計算首席科學家施堯耘的採訪實錄。

註：圖片來源網路

雲棲社區：能否通俗的介紹下量子電路模擬器？在全棧量子計算中的作用是什麼？

陳建鑫：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。

量子計算最終實現的形式應該是基於量子硬體，但是電路模擬有其重要意義，在硬體尚不能達到足夠規模與質量的時候，可以作為驗證量子演算法，輔助演算法及硬體設計的工具。在硬體實現突破可以達到足夠規模以後，可以預見量子硬體的資源依舊足夠昂貴，在執行量子程序前，通過經典計算機模擬檢查是否符合預期也是不可或缺。

雲棲社區：最新研製的81比特量子電路模擬器為何取名太章？

陳建鑫：「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；使豎亥步自北極至於南極，二億三萬三千五百里七十五步。凡鴻水淵藪自三百仞以上二億三萬三千五百五十里有九淵·禹乃以息土填洪水以為名山。」

「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，就和太章徒步測量東極至西極的距離類似。

雲棲社區：81比特40層，這兩個數據意味著什麼？為何是81比特和40層？

陳建鑫：我們實現該模擬器的目的是為了以後的應用層研究，這裡單獨提出來81比特40層只是為了與Google今年3月提出的72比特方案來比較。Google 2016年提出的隨機電路採樣方案在大於50比特的時候硬體很難突破40層，因此模擬81比特40層意味著他們今年3月提出的72比特40層該隨機電路採樣任務是不能超越經典計算機能力的。

雲棲社區：此外實驗室還成功模擬的100比特35層、121比特31層、144層27層？比特數和層數二者的邏輯關係是什麼？

陳建鑫：比特數越多，能模擬的層數越少。在同等算力下，能模擬的電路層數與比特數約成反比。

雲棲社區：按照媒體報道，此前40層的模擬器只能處理49比特？「太章」做出了哪些突破？

陳建鑫：目前業界主流的模擬方案有兩類，一類是存儲量子狀態的所有振幅，一類是對於任意振幅都可以迅速計算得到結果。第一類模擬方案，基本都在超級計算機上實現，因為存儲 45 比特的量子狀態需要 Petabyte 量級的內存，在存儲這麼多數據的同時對該量子態進行操作並進行計算，需要不斷地在不同的計算節點之間交換數據，這樣的通訊開銷對於普通雲服務是難以承受的。

我們採用了第二類模擬方案。通常拆分電路模型需要把每一層來並行化，但這樣會導致整個電路層數很大的時候，並行的任務數指數增加過快。我們同時將若干層進行並行化，可以有效控制並行任務數的增加。

雲棲社區：團隊只用了阿里計算平台在線集群14%的計算資源就實現了以前超算無法完成的任務，這其中的難點在那？你們是如何克服的？

陳建鑫：計算資源跨若干機房，這意味著跨機房的進程間開銷極為昂貴。因此，我們側重於儘可能減少通信開銷，使得模擬器適配現在廣泛提供服務的雲計算平台。

雲棲社區：這次在量子電路模擬器上的成果對阿里研究量子計算有何意義？

陳建鑫：在沒有硬體的條件下如何進行前期布局，這是我們做這個量子電路模擬器的初衷。基於這個電路模擬器我們可以進一步輔助演算法設計，開發應用並測試。

雲棲社區：阿里巴巴量子實驗室下一步的規劃是什麼？

施堯耘：A central mission has been to develop quantum algorithms that are of significant value to our business. To identify such problems, we hope very much our technology community can help（核心任務是研發對阿里巴巴業務有價值的量子演算法）.

雲棲社區：現在離量子霸權還有多遠？

陳建鑫：谷歌2016年提出的量子霸權方案是一個很好的想法，但是我們的結果說明了照之前的隨機電路採樣方案，無論將比特數擴大到多少，都無法超越經典計算機。但是我們也看到隨著規模增加，經典模擬難度越來越大。畢竟我們利用了大量的經典計算資源，換一句話說，如果只是為了和一台普通的台式機相比，現在的量子硬體在這個特定任務上已經可以實現超越。隨著硬體技術的發展，我相信量子霸權不會是太遠的事情。

本文作者：仁太

原文鏈接

更多技術乾貨敬請關注云棲社區知乎機構號：阿里云云棲社區 - 知乎

本文為雲棲社區原創內容，未經允許不得轉載。