[论文解读] Redefining the Quantum Supremacy Baseline With a New Generation Sunway Supercomputer

Xin Liu, Chu Guo+12 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文展示了，通过为新一代神威超算量身定制的张量网络收缩（TNC）算法，53量子比特随机量子线路的采样任务——即最具有挑战性的量子优越性任务——可在440秒内被完全经典模拟。该模拟推翻了原始的量子优越性宣称，表明经典系统可实现相当的性能，同时还能对最多14个周期的电路实现精确的XEB保真度验证。

ABSTRACT

A major milestone in the era of noisy intermediate scale quantum computers is extit{quantum supremacy} [Nature extbf{574}, 505 (2019)] claimed on the Sycamore quantum processor of $53$ qubits, which can perform a random circuit sampling task within $200$ seconds while the same task is estimated to require a runtime of $10,000$ years on Summit. This record has been renewed with two recent experiments on the Zuchongzhi $2.0$ ($56$ qubits) and Zuchongzhi $2.1$ ($60$ qubits) quantum processors. On the other front of quantum supremacy comparison, there has also been continuous improvements on both the classical simulation algorithm as well as the underlying hardware. And a fair justification of the computational advantages for those quantum supremacy experiments would require to practically simulate the same problems on current top supercomputers, which is still in lack. Here we report the full-scale simulations of these problems on new generation Sunway supercomputer, based on a customized tensor network contraction algorithm. Our benchmark shows that the most challenging sampling task performed on Sycamore can be accomplished within $1$ week, thus collapsing the quantum supremacy claim of Sycamore. Additionally, we show that the XEB fidelities of the extit{quantum supremacy circuits} with up to $14$ cycles can be verified in minutes, which also provides strong consistency check for quantum supremacy experiments. Our results redefine quantum supremacy baseline using the new generation Sunway supercomputer.

研究动机与目标

• 通过在最先进的超算上对最具有挑战性的量子优越性任务进行全规模经典模拟，重新评估量子优越性宣称。
• 通过同时使用先进经典算法和顶级硬件，模拟原本宣称对经典系统不可行的问题，弥合基准测试的差距。
• 通过计算最多14个周期电路的精确XEB保真度，为量子优越性实验提供严格的自洽性检验。
• 在量子处理器和经典计算基础设施快速发展的背景下，评估当前经典模拟能力的极限。

提出的方法

• 针对神威超算的架构，实现了一种为模拟随机量子线路而优化的定制化张量网络收缩（TNC）算法，以高效完成模拟。
• 采用混合精度算术（单精度与半精度），在保持数值稳定性的同时提升性能。
• 采用高度并行化、内存带宽感知的TNC策略，最小化神威系统上的通信开销，最大化计算吞吐量。
• 将TNC算法应用于Sycamore-20和Zuchongzhi-2.0电路的全随机电路采样任务，获得高精度结果。
• 计算了多达一百万个比特串的精确振幅，以计算精确的XEB保真度，并与量子实验中估计的值进行比较。
• 通过XEB保真度公式验证结果与理论Porter-Thomas分布的一致性：$ P_l(x|\mathcal{F}_{\text{XEB}}) = (\mathcal{F}_{\text{XEB}}x + (1 - \mathcal{F}_{\text{XEB}}))e^{-x} $，其中 $ x = Np $。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现代百亿亿次级超算上，是否能在合理时间内，通过经典方法模拟最具有挑战性的量子优越性任务——即53量子比特Sycamore处理器上的随机线路采样？
• RQ2 特别是使用张量网络收缩方法的经典模拟器，其性能在多大程度上缩小了与近期量子处理器之间的差距？
• RQ3 量子优越性实验中报告的估计XEB保真度，与精确的经典计算结果相比，其准确性如何？
• RQ4 经典模拟器在验证量子优越性实验的一致性和保真度方面发挥着何种作用？
• RQ5 具备高内存带宽和优化TNC算法的经典系统，是否能在采样任务中超越原始的量子优势宣称？

主要发现

• 在新一代神威超算上，使用单精度算术，Sycamore-20随机线路采样任务的完整模拟在440秒内完成。
• 采用混合精度算术后，相同模拟在276秒内完成，表明通过数值优化可实现显著性能提升。
• 最具有挑战性的量子优越性任务——生成一百万个保真度为0.2%的比特串——可在神威系统上一周内完成，直接挑战了原始的量子优越性宣称。
• 对Sycamore-12、Sycamore-14和Zuchongzhi 2.0-12电路计算了精确的XEB保真度，结果分别为（1.34 ± 0.1）%、（0.73 ± 0.1）%和（0.27 ± 0.1）%，与估计值一致但略低。
• 在计算出的XEB保真度下，比特串概率的分布与理论Porter-Thomas分布一致，证实了量子优越性实验的一致性。
• 作者预测，若提升内存带宽并优化张量收缩顺序，Sycamore-20的模拟时间可缩短至约1.5小时，相比当前结果实现100倍的性能提升。