By 布萊恩·西格爾瓦克斯 22 年 2024 月 XNUMX 日發布
幾年前，量子電腦模擬器還相當有限。在筆記型電腦上，也許您可以模擬大約 10 個量子位元。透過雲，也許您可以模擬大約 20 個。根據您運行的內容，具有這些低量子位元計數的演算法可能已經需要幾個小時來處理。事實上，我發現雲模擬器僅使用大約 10,000 個量子位元時的運行時間限制為 20 秒。我等了 2.75 小時，最後才得到錯誤訊息。
從那以後的幾年裡，量子電腦有了很大的進步，它們的模擬器也有了很大的進步。我沒有對它們進行全部測試，但通常會發現聲稱具有 30-40 個量子位元模擬功能。我們也看到了模擬器的興起，模擬器具有模仿特定類型量子電腦甚至特定量子電腦的雜訊模型。
最近，我們看到張量網路的使用有所成長。這些經典解算器聲稱可以模擬 100 多個量子位元。現在，來了 完美，它聲稱他們的 MIMIQ環路 家庭 模擬器可以處理數百個量子位元，也許多達數千個量子位元。我被短暫授予訪問權限，我利用這段時間來檢驗他們的說法。
MIMIQ-Circ，由 QPerfect 設計
經典類比量子電腦的挑戰在於，我們添加的每個糾纏量子位元都會使表示量子系統所需的記憶體量增加一倍。減少整體記憶體需求的一種方法是不完全描述系統。記憶體需求仍然呈指數增長，但較小的數字正在翻倍。模擬更多量子位元的另一種方法是限制可以實現的操作，就像 Clifford 模擬器的情況一樣，它可以模擬數千個量子位元。
MIMIQ-Circ 遵循第一種方法，使用具有全套操作的部分狀態空間。量子位元數不如 Clifford 模擬器高，但比其他模擬器高得多。
MIMIQ-Circ 實際上是一個小型模擬器系列：狀態向量模擬器和 MPS 模擬器。
狀態向量模擬
在目前的試用期內，QPerfect 將其狀態向量模擬器限制為僅 32 個量子位，並且射擊限制為 216。它實際上並沒有返回狀態向量，它代表測量之前量子位元的狀態，但它正在管道中，並且有一種方法可以同時獲取它。目前，它會傳回一個取樣作為計數，就像您使用 QASM 模擬器一樣。
有趣的是，我將本地安裝的模擬器與雲端託管的 MIMIQ-Circ 模擬器進行了比較。這使 MIMIQ-Circ 處於明顯的劣勢，因為數據必須透過網路往返。
我針對 QPE 和 HHL 電路測試了模擬器，這些電路是您會發現的最深的量子電路。在最小的規模下，本地實施速度更快。但隨著我增加量子位元數，即使有網路問題，MIMIQ-Circ 也會變得更快。
為了向您展示 QPE 發生這種情況的速度有多快，我使用了氫分子，它是我們可以使用的最小的分子。為了進行精確計算，我們總共需要九個量子位元。總共有 15 個量子位，雲端上的 MIMIQ-Circ 已經比本地模擬器更快。借助 HHL，MIMIQ-Circ 在 16 個量子位元上追平了本地模擬器，並在 XNUMX 個量子位元上超越了它。
MIMIQ-Circ 足夠高效，即使有網路延遲，它也能超越本地模擬器。重要的是，MIMIQ-Cirq 的結果在品質上與本地模擬器匹配，建立了對其實際工作的信心。
MPS模擬
這是張量網路模擬器，據說可以模擬數百個量子位元。但你在其他地方做不到這一點，所以我周圍沒有那麼大的量子電路。幸運的是，使用稱為“交換測試”的子程式可以輕鬆建立大型電路。因此，我建立了一個大型電路，運行它，擴大規模，然後再次運行它，直到 MIMIQ-Circ 最終崩潰。
MIMIQ-Circ 在不到 1401 分鐘的時間內處理了 6 個量子位元的電路。
在 1401 到 1421 個量子位元之間的某個位置以及 700 到 710 個受控交換閘之間的某個位置，MIMIQ-Circ 最終開始返回執行階段錯誤。這比普通量子電腦模擬器的處理能力多出近 1400 個量子位元。
重要的是，在小規模下，MIMIQ-Circ 的結果在品質上與本地模擬器相符。不幸的是，其他模擬器的擴展能力有限。然而，SWAP 測試很容易驗證，而且 MIMIQ-Circ 在大尺度上的表現似乎比其他模擬器在小尺度上的表現要好得多。
本地模擬與網路延遲
為了解決網路延遲問題（即必須透過網路傳送資料往返），QPerfect 表示他們正在研究批次作業、變分演算法支援和本地 20 量子位元狀態向量模擬器。據我所知，本地模擬器應該輕鬆勝過其他本地替代品。作為獎勵，您不必透過網路發送數據，無論如何，並不是每個人都願意這樣做。
結論
MIMIQ-Circ 應該能夠模擬我們可能在當今每台量子電腦上運行的每個量子電路，包括兩個未公開提供的 1000 多個處理器。事實上，MIMIQ-Circ 相對於這些處理器有兩大優點：
- 沒有噪音。如果沒有量子糾錯（我們在生產中沒有），MIMIQ-Circ 在品質上應該優於 1000 多個處理器。
- MIMIQ-Circ 具有全方位的量子位元連接。儘管這 1000 多個處理器中的一個具有全面連接的潛力，但這一點尚未得到證實，而另一個則肯定沒有。
儘管我專注於 MIMIQ-Circ 的壓力測試，但需要重申的是，其結果在品質上與本地模擬器的結果相符。在其他模擬器可以運行的最小規模下，很容易確認 MIMIQ-Circ 是否有效。從大規模來看，SWAP 測試的結果是有希望的。 MIMIQ-Circ 似乎快速、準確且獨樹一幟。
布萊恩·西格爾瓦克斯 是一位獨立的量子演算法設計師和自由撰稿人 內部量子技術。他以對量子計算領域的貢獻而聞名，特別是在量子演算法的設計方面。他評估了許多量子計算框架、平台和實用程序，並透過他的著作分享了他的見解和發現。西格爾瓦克斯也是一位作家，撰寫了《地下城與量子比特》和《選擇你自己的量子冒險》等書。他定期在 Medium 上撰寫有關量子計算相關的各種主題的文章。他的工作包括量子計算的實際應用、量子計算產品的評論以及量子計算概念的討論。
