image: Plots of the log-transformed measurement outcome probabilities of 42-, 56- and 64-qubit simulation. view more
Credit: ©Science China Press
量子计算机是基于量子力学基本原理运行的计算机。不同于经典比特，量子比特可同时处于“0”和“1”的叠加态，因此由量子比特构成的量子计算机可以同时计算和存储更多的数据。添加额外的量子比特可以使量子机器的计算能力呈指数型增长，针对某些特定的任务，量子计算机的计算能力可能很快就能超越最先进的超级计算机。
最近几年在量子计算领域取得了一系列重大进展，特别是超导量子芯片，其中包含20个和50个量子比特的器件，具有良好的保真度；半导体量子芯片也取得了巨大的进步。量子霸权宣称，当量子比特数超过50位时，量子计算机无法被经典计算机模拟。对50个量子比特的线路的直接模拟需要16 PB的内存来存储表征量子态的向量，导致量子电路的经典模拟在空间和时间上都受到限制。但是，谷歌和IBM的团队已经对于低深度的电路提出了一些有效的方法（例如延迟纠缠门和Feynman路径方法），已经将这个极限提升到了56个量子比特。
基于此，本源量子与中科院郭光灿团队提出了一种通过分解两比特量子逻辑门模拟量子线路的方案，目前已经使用这个方案在一个128节点的计算机集群上完成了64比特22深度的量子随机线路的模拟，并用一台经典计算机，模拟了56和42比特深度为22的线路。具体来说，此方法通过将几个控制Z（CZ）门转换为测量门和单比特门，将电路映射到2n个子线路。这些子电路形成了两个块，彼此之间没有纠缠。通过此方法将一个N个量子比特线路的模拟转化一系列N/2个量子比特的线路模拟，然后将所有子电路的结果加在一起构成最终状态。他们还预估，深度为23的72比特电路可以在IBM团队使用的相同的超级计算机上花费16小时即可完成模拟。
他们的工作可以使用更少的硬件来模拟更多量子比特的线路，并提供了关于使用经典方法模拟量子线路的新视角。其中42和56量子比特的电路只需要一台配置了GTX-1080Ti显卡的个人计算机就可以完成模拟，而64量子比特的电路需要 128 个节点的计算机集群来模拟，但是其消耗的硬件资源相比之前已经大大降低。
随着量子比特数和深度的增长，其复杂度也呈指数关系不断加大，超过50个量子比特的线路模拟在深度上终会有一个上限。尽管如此，多量子比特体系的模拟仍然对量子傅里叶变换和无监督机器学习等量子算法的研究起着重要作用。此外，分割CZ门的方案可以与其他仿真方法（例如，Feynman路径积分）相结合，以进一步降低复杂度。这些改进可以帮助实现许多其他量子算法的仿真。
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该项目由国家重点研发计划（Grant No.2016YFA0301 700），国家自然科学基金（Grants Nos.11625419），安徽量子信息技术倡议（Grants No.AHY080000）提供支持。
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