模拟“量子态”全球领先 中电信量子集团发布“天衍”高性能系列仿真机

在不久前结束的第三届中国计算机学会量子计算大会（CQCC 2024）上，中电信量子集团、中科院计算所、弧光量子、国盾量子正式发布“天衍”高性能系列仿真机，并全面接入“天衍”量子计算云平台，面向全球用户免费开放使用，为高校、企业和科研人员开展量子算法实验和探索提供高效支撑。

1、模拟是落地第一步

量子计算的发展分为三个阶段。第一步是实现“量子计算优越性”，也即求解某个特定问题时，量子计算机呈现出经典计算机永远不可企及的速度和能力，这一里程碑式的时刻出现在2019年谷歌“悬铃木”的出现。

截至目前，全球有四台宣布实现了量子优越性的量子计算机：美国谷歌的超导量子计算机悬铃木、中国的光量子计算机“九章”和超导量子计算机“祖冲之二号”，以及加拿大Xanadu的北极光。

第二步是实现具有实用价值的专用量子模拟系统和专用量子模拟机，以求解一些特殊领域的重要科学问题，此前中国科学技术大学教授、“祖冲之二号”量子计算原型机总师朱晓波曾表示，乐观预计将在五年内实现。

第三步则是在量子纠错的辅助下实现通用容错量子计算机，也即可编程的量子计算机，类似目前的超级计算机，预计将在10年～15年后实现。但这并不意味着，在这15年里，产业界只能被动等待，事实上，量子计算的软件和生态已经在同步发展。

然而，现实问题是，可供使用的量子计算真机资源非常有限，且存在一定的计算错误率。因此，为了应对真机资源的短缺以及更好验证量子算法和开发应用程序，量子计算仿真机应运而生。

所谓量子仿真，通常指的是使用量子系统（如量子计算机或量子模拟器）来模拟其他量子系统的行为，其中包括使用量子计算机来模拟量子物理过程，或者使用特殊的量子算法在经典计算机上模拟量子电路的行为。通过量子模拟器对复杂量子系统的高效模拟，科研人员可以探索那些传统计算机难以计算的量子现象和过程。

量子仿真的关键优势在于量子系统能够自然地表示量子态，并且能够通过量子叠加和量子纠缠等量子力学特性来实现对大量量子比特的高效操作。这使得量子仿真在某些特定问题上比传统仿真方法有显著的速度优势。

量子计算仿真机作为真机算力和功能的补充，是一种必不可少的量子计算算法验证、应用开发调试工具，在量子计算研究和应用中起着至关重要的作用。

同时，由于量子仿真机不需要访问实际的量子硬件，对测试和验证量子算法非常有效，在量子化学、材料科学、量子物理等领域已经有广泛的应用。它可以帮助科学家理解和预测量子系统的行为，从而推动新药物的发现、新材料的设计以及对基本物理过程的理解。

2、仿真机能力全球领先

IBM Qiskit是最早为全球科研人员提供量子仿真器的平台之一。

IBM Qiskit 是一个由 IBM 开发的开源量子计算软件框架，使得研究人员和开发者能够在量子计算机或者经典计算机上构建、模拟和运行量子程序，但IBM Qiskit并不对中国研究人员开放。

中电信量子集团发布的“天衍”高性能系列仿真机涵盖五大主流类型，包括全振幅仿真机、稳定子仿真机、带噪声仿真机、张量网络仿真机和单振幅仿真机。

其中，全振幅仿真机支持 36 量子比特，仿真比特规模在全球公开量子计算云平台中属于领先水平。它可以高精确度模拟量子电路中每一个量子比特的状态，提供所有量子态的振幅。在验证和调试量子算法的正确性，以及量子电路的设计和优化过程中尤为有效。

本次发布的全振幅仿真机，不仅在量子比特数上具有明显的优势，同时在运算速度上具有领先水平。整体性能优于国内外量子同类产品，测试数据表明，同样深度的量子线路，“天衍”系列全振幅仿真机在 CPU 和 GPU 的小比特数上表现都优于国外同类平台。用户只需通过CqLib调用即可拥有全球领先的全振幅仿真机，不再依赖于用户本地计算资源。

稳定子仿真机则可以利用稳定子理论对特定类型的量子态进行高效模拟，适用于量子错误纠正码的研究模拟，确保其在实际硬件上有效运行。测试数据表明，“天衍”稳定子仿真机在所有电路深度下的性能均优于IBM Qiskit，特别是在高电路深度时，表现出更高的计算效率。

上海交通大学自然科学研究院院长、国家特聘专家金石在论坛上表示，量子模拟的方法既适用于量子比特框架，也适用于连续变量框架，后者适合于近期更可能实现的模拟量子计算。

3、生态与比特数同步增长

当前量子计算正处于从原型机到专用机的攻坚时期。然而，数十年经典计算机的发展历程告诉后来者，软件和生态可能才是决定最终胜利的关键因子。

2023年11月，在广州召开的2023数字科技生态大会上，中国电信正式发布了 “天衍”量子计算云平台。“天衍”量子计算云平台实现了“国云”天翼云超算能力和176量子比特超导量子计算能力的融合，是具有“量子优越性”能力的超量融合云平台。

截至2024年8月，中电信量子集团推出的“天衍”量子计算云平台全球访问量已突破1000万。据了解，“天衍”量子仿真机将全面接入云平台，为全球科研人员提供服务，加速量子计算融入量子化学研究、新药新材料开发、能源气象模拟、人工智能等场景。

“我坚定地认为，量子计算的生态、软件、编程必须与硬件突破同步发展。”朱晓波表示，尽管现阶段的量子计算机还不具备解决实际应用问题的能力，但必须提前建设好平台，让更多的人可以在实际的量子计算环境中启发灵感，进行软件开发与应用探索，建立中国人自己的量子计算生态。

来源：IT时报

记者 郝俊慧