阿里巴巴研制出全球最强量子电路模拟器“太章”！已成功模拟谷歌随机量子电路

 

5月8日，阿里巴巴量子实验室施尧耘团队宣布于近日成功研制当前世界最强的量子电路模拟器，名为“太章”。 太章取自：《淮南子·墬形训》：“禹乃使太章步自东极至于西极，二亿三万三千五百里七十五步。”“太章”模拟器目的是用一种经典，我们能理解的方式来理解量子的运行，就跟太章徒步测量东极至西极的距离那样。

基于阿里巴巴集团计算平台在线集群的超强算力，“太章”在世界上率先成功模拟了81（9x9）比特40层的作为基准的谷歌随机量子电路，之前达到这个层数的模拟器只能处理49比特。

 本次研究成果arXiv论文链接：

  https://arxiv.org/abs/1805.01450

同时，本次模拟任务只动用了阿里巴巴计算平台在线集群14%的计算资源。“太章”的创新算法通信开销极小，得以充分发挥平台在线集群的优势，在过去超级计算机上做不了的模拟任务，比如64（8x8）比特40层的模拟，“太章”只需2分钟即可完成。

图丨阿里巴巴“太章”模拟器与目前主要模拟器模拟谷歌随机电路的结果比较

 

量子计算可能颠覆当前的计算技术，是科学界和工业界研究的前沿热点。但量子计算的实现十分困难。目前，已经实现的高精度量子处理器也只有20几个量子比特。故而规模稍大的量子算法尚无运行的载体。

模拟器的作用在于“承上启下”，往下可以帮助理解、设计硬件，向上可以承载算法和应用的探索和验证。“太章”首次使得测试和验证被称为“中等规模”50-200比特的的量子算法成为可能, 从而为辅助设计中等规模量子算法、量子软件乃至量子芯片提供了一个有力的工具。

 

在通常的量子电路模拟方案中，需要存储量子状态的全部振幅，在此海量数据上同时模拟量子运算。这个方法要求不断地在众多的计算节点间交换数据，造成巨大的通讯开销。因此，过去这样的模拟任务往往都在超级计算机上进行。

实验室团队基于施尧耘教授及其合作者Igor Markov在2005年提出的另一种模拟方案，发明了一个简单而有效的方法分解整个模拟任务，然后十分均衡地把这些子任务分配到不同计算节点上。“太章”的通信开销极小，这个优点使之十分适合分布式的计算平台。

 

图丨“太章”模拟的随机量子电路规模（黑线）与谷歌量子硬件可以实现的规模(红线) 比较（基于谷歌在[Characterizing quantum supremacy in near-term devices]中对7x7的估计）*

 

作为基准的随机量子电路是谷歌提出为实现“量子霸权”的算法。“量子霸权”指的是量子处理器的规模和精度到达无法被经典计算模拟的程度。谷歌今年3月份提出了未来工作的目标： 72比特高精度的量子处理器。“太章”的结果表明这一计划中的处理器如果只运行该基准算法仍不足于达到量子霸权。

 

本次研究成果也提交到预印本网站arXiv，文章并列第一作者为量子实验室量子科学家陈建鑫博士与实习生张放，作者还有实习生黄甲辰和Michael Newman博士。

 

阿里巴巴量子实验室由美国密西根大学终身教授、世界著名量子科学家施尧耘担任首席量子技术科学家、量子实验室主任。两次理论计算机最高奖哥德尔奖得主、匈牙利裔美国计算机科学家马里奥·塞格德（Mario Szegedy）于今年年初也加入该实验室。值得关注的是，施尧耘和马里奥·塞格德都已经加入了阿里巴巴打造前沿技术的新机构——达摩院。

*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·云栖大会上，阿里巴巴集团 CTO 张建峰正式宣布成立执行“NASA 计划”的实体组织、阿里巴巴全球研究院——“达摩院”，预计 3 年的时间内投入 1000 亿人民币，进行基础科学和颠覆式技术创新研究。

 

时至今日，达摩院已经有了初步的一些动作。例如，今年 4 月 20 日，阿里巴巴就宣布全资收购中国大陆唯一的自主嵌入式 CPU IP Core 公司——中天微系统，同时就有新闻传出达摩院正研发一款神经网络芯片——Ali-NPU，预计性能是主流 AI 芯片的 10 倍，将运用于图像视频分析、机器学习等 AI 推理计算。

不到一个月，达摩院就再下一城，5 月 3 日，阿里巴巴就宣布完成了对先声互联的收购，先声互联创始人、中科院声学所前研究员付强博士入职达摩院，负责语音交互前端处理技术和方案的研发。

达摩院将实行院长负责制，由阿里巴巴集团 CTO 张建锋担任首任院长，其秉持着“以科技，创新世界”的使命，与阿里巴巴现有研发体系保持相对独立，潜心研究面向未来的核心科技。

 

图丨阿里巴巴集团 CTO 张建锋宣布成立达摩院

据悉，阿里巴巴达摩院由全球建设的自主研究中心、与高校和研究机构建立的联合实验室、全球开放研究项目——阿里巴巴创新研究计划（AIR 计划）三大部分组成，囊括量子计算、机器学习、基础算法、网络安全、视觉计算、自然语言处理、人机自然交互、芯片技术、传感器技术、嵌入式系统等，涵盖机器智能、智联网、金融科技等多个领域。

 

自主研究中心：阿里巴巴达摩院将构建亚洲达摩院、美洲达摩院及欧洲达摩院三大全球分部，并在北京、杭州、新加坡、以色列、圣马特奥、贝尔维尤、莫斯科等地设立不同研究方向的实验室，初期计划引入 100 名顶尖科学家。

 

产学研合作共同体：目前已建立了浙江大学—阿里巴巴前沿技术联合研究中心、UC Berkeley RISE 实验室、清华大学—蚂蚁金服金融科技联合实验室和中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室。

 

全球开放研究项目：现主要为阿里巴巴创新研究计划（AIR 计划），据了解，该计划覆盖了包括自然语言处理、机器学习、计算技术、数据中心等 14 个前沿技术领域的、29 个来自业务一线的技术研究课题。旨在解决社会经济发展中的“新技术”难题。

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