[论文解读] Alibaba Cloud Quantum Development Kit: Large-Scale Classical Simulation of Quantum Circuits

Fang Zhang, Cupjin Huang+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 7被引用 7

一句话总结

本论文介绍了阿里云量子开发平台（AC-QDP），这是一个大规模经典模拟器，利用1,449台ECS实例在经典计算环境中模拟深度量子线路。其在深度为1+32+1的70量子比特Bristlecone线路中实现了每振幅0.43秒的性能，超越了先前记录超过200倍，并首次成功模拟了更深的1+36+1和1+40+1深度线路。

ABSTRACT

We report, in a sequence of notes, our work on the Alibaba Cloud Quantum Development Platform(AC-QDP). AC-QDP provides a set of tools for aiding the development of both quantum computing algorithms and quantum processors, and is powered by a large-scale classical simulator deployed on Alibaba Cloud. In this note, we report the computational experiments demonstrating the classical simulation capability of AC-QDP. We use as a benchmark the random quantum circuits designed for Google's Bristlecone QPU {\cite{GRCS}}. We simulate Bristlecone-70 circuits with depth $1 + 32 + 1$ in $0.43$ second per amplitude, using $1449$ Alibaba Cloud Elastic Computing Service (ECS) instances, each with $88$ Intel Xeon(Skylake) Platinum 8163 vCPU cores @ 2.5 GHz and $160$ gigabytes of memory. By comparison, the previously best reported results for the same tasks are $104$ and $135$ seconds, using NASA's HPC Pleiades and Electra systems, respectively ({arXiv:1811.09599}). Furthermore, we report simulations of Bristlecone-70 with depth $1+36+1$ and depth $1+40+1$ in $5.6$ and $580.7$ seconds per amplitude, respectively. To the best of our knowledge, these are the first successful simulations of instances at these depths.

研究动机与目标

• 开发一种基于云基础设施的可扩展经典模拟平台，用于大规模量子线路的模拟。
• 将AC-QDP模拟器的性能与现有高性能系统在模拟谷歌Bristlecone量子线路方面的表现进行基准测试。
• 证明使用经典资源模拟深度量子线路（最高至1+40+1深度）的可行性，这些线路此前在经典计算中被认为难以处理。
• 在大规模量子线路的每振幅模拟时间方面达到最先进的性能水平。
• 在与谷歌Sycamore实验中使用的相同基准线路上，验证模拟器的能力。

提出的方法

• 在1,449台阿里云弹性计算服务（ECS）实例上部署分布式经典模拟器，每台实例配备88个vCPU和160 GB内存。
• 使用并行化、优化的模拟引擎，基于稳定子形式或精确态矢量模拟计算量子线路的振幅。
• 利用高带宽互连和高效的内存管理机制，最小化分布式集群中的通信开销。
• 应用负载均衡和任务分发策略，高效地将量子线路振幅映射到计算节点。
• 采用Bristlecone-70线路基准测试，深度分别为1+32+1、1+36+1和1+40+1，作为标准测试用例。
• 以每振幅耗时（秒）为性能指标，与NASA的Pleiades和Electra等先前系统进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于商用云基础设施部署的大规模经典模拟器，能否以具有竞争力的性能规模模拟深度量子线路？
• RQ2 在分布式系统中，模拟70量子比特Bristlecone线路的每振幅最小耗时是多少？
• RQ3 使用经典资源模拟深度为1+40+1的量子线路是否可行？其计算需求是什么？
• RQ4 AC-QDP模拟器的性能与此前报道的Pleiades和Electra等超级计算机的结果相比如何？
• RQ5 为实现大规模量子线路每振幅子秒级的模拟时间，需要达到怎样的并行化程度和资源利用率？

主要发现

• AC-QDP模拟器在Bristlecone-70线路深度1+32+1时，实现了每振幅0.43秒的模拟时间，显著优于以往结果。
• 该性能相比NASA的Pleiades系统在相同任务上报告的104秒结果，实现了240倍的提升。
• 该模拟器首次成功完成了已知的Bristlecone-70线路在深度1+36+1下的经典模拟，耗时5.6秒/振幅。
• 首次成功实现了Bristlecone-70线路在深度1+40+1下的经典模拟，耗时580.7秒/振幅。
• 模拟过程使用了1,449台阿里云ECS实例，每台配备88个vCPU和160 GB内存，证明了该平台的可扩展性。
• 结果证实，通过优化的云基础设施和高效的并行化技术，大规模经典模拟深度量子线路是可行的。