近日，墨爾本大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們首次成功模擬了 60 量子比特的量子計(jì)算機(jī)上 shor 算法的運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。其所模擬的量子比特?cái)?shù)目也成功躋身于全球領(lǐng)先行列。 J@PwN^`  
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此外，該研究通過優(yōu)化算法，使算法生成的矩陣積態(tài)（Matrix Product State）可對(duì)量子態(tài)進(jìn)行表征，降低了量子計(jì)算機(jī)模擬過程中對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力和存儲(chǔ)資源的要求。 
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用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬量子計(jì)算是很棘手的事情。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制比特進(jìn)行編碼和運(yùn)算，二進(jìn)制比特有兩種可能的狀態(tài)：0 或 1，每一個(gè)比特每一個(gè)瞬間只能取其中一種狀態(tài)。而量子計(jì)算機(jī)使用的量子比特，并不只是一個(gè)邏輯概念，它的量子特性要求每一個(gè)比特還必需是一個(gè)微觀粒子，比如原子或光子。量子比特在測(cè)量到之前可以處于 0 和 1 的疊加態(tài) (superposition)，每一次觀測(cè)會(huì)使它以一定的概率塌縮到其中一個(gè)狀態(tài)中去。比如兩個(gè)傳統(tǒng)比特的在每一瞬間只能為：00，01，10，11 的四種，但是兩個(gè)量子比特卻處于這四種狀態(tài)（22）的疊加，每一種狀態(tài)都有一定的概率被觀察到。 kW0|\
 
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同理，一個(gè) 50 量子比特的計(jì)算機(jī)便處于 250 個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)�！耙�模擬這 50 個(gè)量子比特的狀態(tài)，就需要 250 個(gè)傳統(tǒng)比特來(lái)同時(shí)儲(chǔ)存每一種可能，”墨爾本大學(xué)教授 Lloyd Hollenberg 解釋到。這 250 個(gè)狀態(tài)中的每一個(gè)都用復(fù)數(shù)表示，一個(gè)復(fù)數(shù)占用 128 比特，這就需要 18 PB 的容量（1 PB=1024 TB≈106 GB），只有超級(jí)計(jì)算機(jī)才有這么大的容量來(lái)儲(chǔ)存。換句話說(shuō)，模擬一個(gè) 50 個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)，就要吃掉 18 PB 的內(nèi)存，這相當(dāng)于一百萬(wàn)臺(tái) 16 GB 內(nèi)存的筆記本電腦的總合。模擬 60 量子比特就需要 18000 PB 的存儲(chǔ)，這相當(dāng)于 10 億臺(tái)筆記本電腦。 eQ`TW'[9_6  
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這還僅僅是存儲(chǔ)，如果要跑一個(gè)算法呢？ <aR9,:  
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Hollenberg 是量子計(jì)算和通信中心的副主任，在一篇還未發(fā)表的論文中，他與合作者描述了一種對(duì)秀爾（shor）算法的優(yōu)化模擬方法。秀爾算法以數(shù)學(xué)家彼得秀爾命名，是一種針對(duì)因數(shù)分解的量子算法。傳統(tǒng)意義上講，分解質(zhì)因數(shù)一直是世界難題，而這個(gè)領(lǐng)域也被認(rèn)為是量子計(jì)算機(jī)最有潛力超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的領(lǐng)域。 ,r
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找到一個(gè) 232 位的半素?cái)?shù)（兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積）的質(zhì)數(shù)因子，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)要算兩年時(shí)間，普通的筆記本電腦則要算 2000 年。而且半素?cái)?shù)每增加一位，分解難度就呈指數(shù)級(jí)增加。當(dāng)然，如此大的計(jì)算量也帶來(lái)了一個(gè)好處，比如 RSA 公鑰加密系統(tǒng)就是用非常大的半素?cái)?shù)作為密鑰。破解這種密鑰幾乎不可能，RSA-240 密鑰至今都沒有被破解。 O32p8
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墨爾本大學(xué)研究人員針對(duì)分解半素?cái)?shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單版本： 961307 可以分解為哪兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積，對(duì)擁有 60 量子比特的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。雖然這個(gè)問題對(duì)于一臺(tái)普通的筆記本電腦來(lái)說(shuō)并不是難事。但是，目前量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展還不能夠解決這種問題。 8dgI&t  

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“我們想要提高自身的極限，然后看一下針對(duì)某一特定的算法問題，我們可以優(yōu)化我們的模擬計(jì)算能力到什么樣的水平。在這項(xiàng)模擬任務(wù)中，我們發(fā)現(xiàn)可以針對(duì)算法中量子糾纏的度來(lái)規(guī)劃我們的模擬計(jì)算�！盚ollenberg 說(shuō)。研究人員對(duì)秀爾算法進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)“算法中的糾纏結(jié)構(gòu)可以使用一種特定的矩陣積態(tài)來(lái)表征，這種方法可降低對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的要求�！� Zz}Wg@&  
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為了模擬 60 量子比特的量子計(jì)算，研究人員在 Pawsey 超算中心一共動(dòng)用了 216 個(gè)結(jié)點(diǎn)，5184 個(gè)計(jì)算核心和 13.824TB 的內(nèi)存，花費(fèi)了 8 個(gè)小時(shí)。“這次模擬幾乎用掉了 Pawsey 所有分配的算時(shí)，好在我們成功了”，Dang 說(shuō)�！皳�(jù)我們所知，這是對(duì)秀爾算法的最大規(guī)模的一次模擬�！� !)gTS5Rh:  
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對(duì)量子計(jì)算機(jī)的模擬---即使用來(lái)解決這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的問題---也會(huì)幫助研究人員更好的理解和測(cè)試量子計(jì)算機(jī)未來(lái)所面對(duì)的問題，以便在真正的量子計(jì)算時(shí)代到來(lái)之時(shí)，做好準(zhǔn)備。一直以來(lái)，業(yè)界共識(shí)是，50-100 量子比特已經(jīng)超出傳統(tǒng)計(jì)算模擬的范圍，而成功地模擬 60 量子比特，讓這一邊界向前推進(jìn)，可以讓我們更好的理解量子計(jì)算優(yōu)越性的標(biāo)準(zhǔn)。 Xu\FcQ{  
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這次模擬也意味著，量子計(jì)算機(jī)可以更好地進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試和驗(yàn)證了�！澳�擬量子計(jì)算的能力越強(qiáng)，就可以更好地對(duì)真正的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試”，Hollenberg 補(bǔ)充到�！斑@個(gè)水平的模擬量子算法，對(duì)了解量子計(jì)算機(jī)的物理操作，軟件運(yùn)行和能解決的問題，都起到了至關(guān)重要的作用�！�