完成41量子比特純電路規(guī)模基準測試，超越了此前40量子比特的上限。

大阪大學量子信息與量子生物學研究中心（QIQB）與 Fixstars 公司的研究團隊，完成了全球規(guī)模領先的、面向量子化學的經(jīng)典計算機量子電路模擬。研究團隊動用多達1024 顆 NVIDIA H100 GPU，突破了此前基于狀態(tài)向量的量子電路模擬40量子比特的壁壘，拓展了可用于開發(fā)、測試未來容錯量子計算機算法的分子體系范圍。

研究團隊通過量子比特精簡技術(shù)，對水分子實現(xiàn)了42 自旋軌道體系模擬，創(chuàng)下迄今最大問題規(guī)模紀錄。以鐵硫分子（Fe?S?）完成41量子比特純電路規(guī)模基準測試，超越了此前40量子比特的上限。開發(fā)出全新并行計算方法，攻克 GPU 間通信瓶頸，最大限度發(fā)揮大規(guī)模 GPU 集群性能。

能夠自主糾錯的量子計算機，即容錯量子計算機（FTQC），有望實現(xiàn)經(jīng)典計算機難以完成的量子化學計算。這類計算在藥物研發(fā)、先進材料開發(fā)等領域至關重要，需要對復雜分子的電子結(jié)構(gòu)進行高精度建模。但在相關硬件問世前，面向其設計的量子算法必須先通過經(jīng)典模擬完成開發(fā)、測試與驗證。

量子相位估計算法（QPE）是眾多量子算法的核心子程序。在量子化學中，它可用于求解分子系統(tǒng)能級；隨著電子與軌道數(shù)量增加，經(jīng)典計算機完成這一任務的難度會呈指數(shù)級上升。該團隊重點研究迭代量子相位估計（IQPE），這一改進版本可實現(xiàn)相同目標，且所需量子比特更少。研究人員在名為chemqulacs-gpu的量子化學電路模擬器中實現(xiàn)了該算法。

該研究團隊由大阪大學 QIQB 的Wataru Mizukami教授、技術(shù)助理Shoma Hiraoka、技術(shù)助理Sho Nishida，以及 Fixstars 公司的Yusuke Teranishi組成。模擬在日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）運營的ABCI-Q系統(tǒng)上開展，該平臺為項目提供了最高 1024 顆 NVIDIA H100 GPU。在限時 48 小時的計算窗口內(nèi)，研究人員攻克一系列技術(shù)難題，最終完成模擬。

“協(xié)同使用 1024 顆 GPU 開展大規(guī)模量子電路模擬在技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性，在有限的 48 小時計算窗口中，我們反復遇到意料之外的問題。”Mizukami 教授表示，“令我欣慰的是，在 Yusuke Teranishi 與 Shoma Hiraoka 兩位年輕研究者的帶領下，團隊始終堅持不懈，加之 ABCI-Q 運營團隊的及時支持，我們最終取得了這項全球領先成果。希望這一突破能加速量子算法的研發(fā)。”

將量子電路模擬分布到數(shù)百顆 GPU 上運行的核心技術(shù)障礙，是通信開銷。當量子狀態(tài)向量被拆分到多個設備時，涉及非局域量子比特的門操作需要在 GPU 間交換數(shù)據(jù)，進而形成瓶頸，抵消增加硬件帶來的收益。Fixstars 公司提供了 GPU 性能分析與優(yōu)化技術(shù)以解決該問題，通過優(yōu)化模擬代碼，攻克了復雜的 GPU 間通信瓶頸，實現(xiàn)了大規(guī)模高效電路運行。

本次成果的兩大核心突破分別體現(xiàn)了不同維度的價值。42 自旋軌道水分子模擬通過量子比特精簡技術(shù)，處理了相對復雜的電子結(jié)構(gòu)問題，驗證了該平臺面向?qū)嵱昧孔踊瘜W場景的應用能力。未采用精簡技術(shù)的 41 量子比特 Fe?S?電路，則直接衡量了電路模擬能力的上限，證實該系統(tǒng)可突破量子化學領域狀態(tài)向量法此前 40 量子比特的瓶頸。

QIQB 主導本次研究，并開發(fā)了在 GPU 集群上經(jīng)典模擬 IQPE 量子電路的方法，包括連接量子化學層與模擬層的接口。Fixstars 公司負責在 ABCI-Q 平臺上優(yōu)化模擬代碼與性能調(diào)優(yōu)，解決了大規(guī)模節(jié)點下制約效率的 GPU 間通信瓶頸。

通過擴大量子化學電路的經(jīng)典模擬規(guī)模，這項研究為算法開發(fā)者提供了更豐富的分子測試基準。隨著容錯量子硬件不斷進步，在日趨復雜的系統(tǒng)上測試與優(yōu)化算法，將成為把理論量子優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為藥物設計、清潔能源材料等領域?qū)嶋H成果的關鍵。

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