[论文解读] Quantum Supremacy Circuit Simulation on Sunway TaihuLight

Riling Li, Bujiao Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 11被引用 21

一句话总结

本论文提出了一种针对Sunway TaihuLight超算的高性能量子线路模拟器，用于通用随机线路的模拟，在全态矢量计算中实现了49量子比特、深度39的电路模拟，单振幅采样则达到深度55。该模拟器采用基于动态规划的划分方法与优化的内存访问策略，在量子比特数量和电路深度方面均优于以往系统。

ABSTRACT

With the rapid progress made by industry and academia, quantum computers with dozens of qubits or even larger size are being realized. However, the fidelity of existing quantum computers often sharply decreases as the circuit depth increases. Thus, an ideal quantum circuit simulator on classical computers, especially on high-performance computers, is needed for benchmarking and validation. We design a large-scale simulator of universal random quantum circuits, often called 'quantum supremacy circuits', and implement it on Sunway TaihuLight. The simulator can be used to accomplish the following two tasks: 1) Computing a complete output state-vector; 2) Calculating one or a few amplitudes. We target the simulation of 49-qubit circuits. For task 1), we successfully simulate such a circuit of depth 39, and for task 2) we reach the 55-depth level. To the best of our knowledge, both of the simulation results reach the largest depth for 49-qubit quantum supremacy circuits.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的量子线路模拟器，能够在经典高性能计算机上模拟大规模通用随机线路。
• 通过高保真度模拟量子霸权线路，对近期量子设备进行基准测试与验证。
• 通过实现比以往报道更深的电路深度与更大的量子比特数量，推动经典模拟的极限。
• 支持全态矢量模拟与目标振幅采样，以实现保真度估计与验证。
• 通过内存带宽感知算法与动态负载均衡，优化在Sunway TaihuLight上的性能。

提出的方法

• 采用一种新颖的基于动态规划的划分方案，将大规模量子线路分解为可管理的子线路，以支持分布式计算。
• 实现一种混合计算模型，将态矢量演化（任务1）与选择性振幅采样（任务2）分离，以实现最优资源利用。
• 使用内存带宽感知算法优化内存访问模式，降低延迟并提升Sunway TaihuLight架构下的节点级性能。
• 以7×7量子比特阵列为基本测试平台，扩展至7×8与8×8以支持部分振幅采样。
• 通过计算49量子比特态矢量之间的内积，提取深度达55的电路中的单个振幅。
• 在最多131,072个核心组上实现强可扩展性，性能分析显示相比ETH的单节点实现提升1.84倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 在经典超算资源下，49量子比特通用随机线路的最大可实现电路深度是多少？
• RQ2 在现代百亿亿级系统（如Sunway TaihuLight）上，经典模拟器能否在以往记录之外实现49量子比特电路的全态矢量模拟？
• RQ3 在高性能硬件上，如何高效地对深度量子线路执行目标振幅采样？
• RQ4 为最大化Sunway TaihuLight的多核、高带宽系统性能，需要哪些架构与算法优化？
• RQ5 模拟结果的概率分布在深度较大的情况下，与理论的Porter-Thomas分布匹配程度如何？

主要发现

• 该模拟器在131,072个核心组上，用4.2小时成功计算出深度39的49量子比特态矢量，达到Sunway TaihuLight总计算能力的80%。
• 在单振幅采样方面，该模拟器在49量子比特电路中达到深度55，创下该量子比特数量的新纪录。
• 在深度35和39时，模拟的49量子比特电路结果概率分布与理论Porter-Thomas分布高度吻合，证实了量子随机行为。
• 相比ETH的单节点实现，该模拟器在相同硬件上实现1.84倍的加速，证明了内存访问优化的有效性。
• 该方法可扩展至更大阵列：7×8与8×8量子比特，支持深度达35的7×8电路的部分振幅采样（2^37至2^42个振幅）。
• 49量子比特电路在深度39的模拟超越了此前报道的40深度限制，证明49量子比特的量子霸权在该深度下是经典可模拟的。