1024顆GPU發(fā)力，量子化學(xué)模擬突破上限

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

大阪大學(xué)量子信息與量子生物學(xué)研究中心（QIQB）與 Fixstars 公司的研究團(tuán)隊(duì)，完成了全球規(guī)模領(lǐng)先的、面向量子化學(xué)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)量子電路模擬。研究團(tuán)隊(duì)動(dòng)用多達(dá)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(kāi)發(fā)、測(cè)試未來(lái)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)算法的分子體系范圍。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)量子比特精簡(jiǎn)技術(shù)，對(duì)水分子實(shí)現(xiàn)了42 自旋軌道體系模擬，創(chuàng)下迄今最大問(wèn)題規(guī)模紀(jì)錄。以鐵硫分子（Fe?S?）完成41量子比特純電路規(guī)模基準(zhǔn)測(cè)試，超越了此前40量子比特的上限。開(kāi)發(fā)出全新并行計(jì)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(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，即容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)（FTQC），有望實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以完成的量子化學(xué)計(jì)算。這類(lèi)計(jì)算在藥物研發(fā)、先進(jìn)材料開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域至關(guān)重要，需要對(duì)復(fù)雜分子的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度建模。但在相關(guān)硬件問(wèn)世前，面向其設(shè)計(jì)的量子算法必須先通過(guò)經(jīng)典模擬完成開(kāi)發(fā)、測(cè)試與驗(yàn)證。

量子相位估計(jì)算法（QPE）是眾多量子算法的核心子程序。在量子化學(xué)中，它可用于求解分子系統(tǒng)能級(jí)；隨著電子與軌道數(shù)量增加，經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成這一任務(wù)的難度會(huì)呈指數(shù)級(jí)上升。該團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究迭代量子相位估計(jì)（IQPE），這一改進(jìn)版本可實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)，且所需量子比特更少。研究人員在名為chemqulacs-gpu的量子化學(xué)電路模擬器中實(shí)現(xiàn)了該算法。

該研究團(tuán)隊(duì)由大阪大學(xué) 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(yùn)營(yíng)的ABCI-Q系統(tǒng)上開(kāi)展，該平臺(tái)為項(xiàng)目提供了最高 1024 顆 NVIDIA H100 GPU。在限時(shí) 48 小時(shí)的計(jì)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(kāi)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(shí)計(jì)算窗口中，我們反復(fù)遇到意料之外的問(wèn)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(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持不懈，加之 ABCI-Q 運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)的及時(shí)支持，我們最終取得了這項(xiàng)全球領(lǐng)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(yùn)行的核心技術(shù)障礙，是通信開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)量子狀態(tài)向量被拆分到多個(gè)設(shè)備時(shí)，涉及非局域量子比特的門(mén)操作需要在 GPU 間交換數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成瓶頸，抵消增加硬件帶來(lái)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(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化模擬代碼，攻克了復(fù)雜的 GPU 間通信瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模高效電路運(yùn)行。

本次成果的兩大核心突破分別體現(xiàn)了不同維度的價(jià)值。42 自旋軌道水分子模擬通過(guò)量子比特精簡(jiǎn)技術(shù)，處理了相對(duì)復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)問(wèn)題，驗(yàn)證了該平臺(tái)面向?qū)嵱昧孔踊瘜W(xué)場(chǎng)景的應(yīng)用能力。未采用精簡(jiǎn)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(shí)該系統(tǒng)可突破量子化學(xué)領(lǐng)域狀態(tài)向量法此前 40 量子比特的瓶頸。

QIQB 主導(dǎo)本次研究，并開(kāi)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(xué)層與模擬層的接口。Fixstars 公司負(fù)責(zé)在 ABCI-Q 平臺(tái)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(diǎn)下制約效率的 GPU 間通信瓶頸。

通過(guò)擴(kuò)大量子化學(xué)電路的經(jīng)典模擬規(guī)模，這項(xiàng)研究為算法開(kāi)發(fā)者提供了更豐富的分子測(cè)試基準(zhǔn)。隨著容錯(cuò)量子硬件不斷進(jìn)步，在日趨復(fù)雜的系統(tǒng)上測(cè)試與優(yōu)化算法，將成為把理論量子優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為藥物設(shè)計(jì)、清潔能源材料等領(lǐng)域?qū)嶋H成果的關(guān)鍵。

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