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文 | IT匠人

编辑 | IT匠人

时长 | 一首歌的时间

近日，墨尔本大学的研究人员宣布，他们打破了IBM十月份创造的56量子位的纪录，首次成功模拟了 60 量子比特的量子计算机上 shor 算法的运行，创造了新的世界纪录，这使他们成功跻身于全球领先行列。此优化算法生成的矩阵积态（Matrix Product State）可对量子态进行表征，降低了量子计算机模拟过程中对传统计算机运算能力和存储资源的要求。这意味着这种算法不再是随机量子状态，并将内存需求减少到仅13.8TB。 

量子计算/量子计算机的概念是著名物理学家费曼于1981年首先提出的。关于量子计算的原理，这里引用下我国量子光学的泰斗级人物，郭光灿院士的阐述：

量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话就是它可以同时存储0和1。一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2^N个可能数据当中的任一个。若它是量子存储器，则它可以同时存储2^N个数，而且随着N的增加，其存储信息的能力将指数上升。

由于数学操作可以同时对存储器中的全部数据进行，因此量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N次操作，或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（时间，记忆单元等）

在墨尔本大学量子计算和通信技术中心的副主任Lloyd Hollenberg领导下，60量子位量子计算机的模拟输出在珀斯的Pawsey超级计算机设施内执行，而这原本需要高达18000PB级传统计算机内存。 这意味着省了超过10亿台笔记本电脑的内存容量。

在一篇还未发表的论文中，墨大的Hollenberg ，量子计算和通信中心的副主任与合作者详细描述了他们这次使用的对秀尔（shor）算法的优化模拟方法。秀尔算法以数学家彼得秀尔命名，是一种针对因数分解的量子算法。传统意义上讲，分解质因数是一个经典难题，而这个领域也被认为是近期量子计算机最有可能超越传统计算机的领域。

例如，找到一个 232 位的半素数（两个素数的乘积）的质数因子，一台超级计算机要算两年时间，普通的笔记本电脑则要算 2000 年。而且半素数每增加一位，分解难度就呈指数级增加。当然，如此大的计算量也带来了一个好处，比如 RSA 公钥加密系统就是用非常大的半素数作为密钥。破解这种密钥几乎不可能，RSA-240 密钥至今都没有被破解。

墨尔本大学研究人员遇到的实际问题是 961307 可以分解为哪两个素数的乘积，对拥有 60 量子比特的量子计算机进行模拟。虽然一台普通的笔记本电脑就可以在一秒内回答这个问题，但目前量子计算机的发展还不能够解决。

“我们想要看我们能在多大程度上优化我们对特定算法的模拟计算水平。这样我们可以围绕算法中量子纠缠程度来规划我们的计算。”Hollenberg 说。研究人员对秀尔算法进行了优化，发现“算法中的纠缠结构可以使用一种特定的矩阵积态来表征，这种方法可降低对经典模拟的要求。”

为了模拟 60 量子比特的量子计算，研究人员在 Pawsey 超算中心一共动用了 216 个结点，5184 个计算核心和 13.824TB 的内存，花费了 8 个小时。“这次模拟几乎用掉了 Pawsey 所有分配的算时，好在我们成功了”，Dang 说。“据我们所知，这是对秀尔算法的最大规模的一次模拟。”

“业内共识是一旦你达到50或100个量子比特，你就将超越经典计算机可以模拟的范围。因此这次突破性尝试非常有助于我们为真正的量子计算的优势设定标准”悉尼大学的量子计算教授斯蒂芬巴特利特说。 

模拟研究还意味着量子计算机可以更好地进行基准测试和验证。 “你的模拟能力越好，你的基准测试能力就越好，”Hollenberg补充道。 “在这个级别模拟量子算法的能力对于学习量子计算机如何实际运行，软件如何工作以及它可以解决什么类型的问题非常重要。”

参考：https://www.cio.com.au/article/643042/melbourne-uni-team-claim-60-qubit-quantum-computing-simulation-world-record/