量子模擬的案例
阿里巴巴宣布研制出全球最強量子電路模擬器“太章” 通信開銷少告別超級計算機
5月8日，阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布于近日成功研制當前世界最強的量子電路模擬器，名為“太章”。 基于阿里巴巴集團計算平臺在線集群的超強算力，“太章”在世界上率先成功模擬了81（9x9）比特40層的作為基準的谷歌隨機量子電路，之前達到這個層數的模擬器只能處理49比特。
同時，本次模擬任務只動用了阿里巴巴計算平臺在線集群14%的計算資源。“太章”的創新算法通信開銷極小，得以充分發揮平臺在線集群的優勢，在過去超級計算機上做不了的模擬任務，比如64（8x8）比特40層的模擬，“太章”只需2分鐘即可完成。
*阿里巴巴“太章”模擬器與目前主要模擬器模擬谷歌隨機電路的結果比較
量子計算可能顛覆當前的計算技術，是科學界和工業界研究的前沿熱點。但量子計算的實現十分困難。目前，已經實現的高精度量子處理器也只有20幾個量子比特。故而規模稍大的量子算法尚無運行的載體。
模擬器的作用在于“承上啟下”，往下可以幫助理解、設計硬件，向上可以承載算法和應用的探索和驗證。“太章”首次使得測試和驗證被稱為“中等規模”50-200比特的的量子算法成為可能, 從而為輔助設計中等規模量子算法、量子軟件乃至量子芯片提供了一個有力的工具。
在通常的量子電路模擬方案中，需要存儲量子狀態的全部振幅，在此海量數據上同時模擬量子運算。這個方法要求不斷地在眾多的計算節點間交換數據，造成巨大的通訊開銷。因此，過去這樣的模擬任務往往都在超級計算機上進行。
實驗室團隊基于施堯耘教授及其合作者Igor Markov在2005年提出的另一種模擬方案，發明了一個簡單而有效的方法分解整個模擬任務，然后十分均衡地把這些子任務分配到不同計算節點上。“太章”的通信開銷極小，這個優點使之十分適合分布式的計算平臺。
展開 谷歌：從49到72，我們不止比IBM優秀一點點
然后，在2017年12月，團隊再次取得突破，實現了46量子比特模擬，創下了目前的世界紀錄。
可擴展性是實現通用量子計算機所面臨的難題之一。從45到46，看上去只是增加了一個比特，但在計算機模擬中，每增加一個量子比特，就需要將計算機的內存增加一倍。例如，模擬一個擁有45個量子比特的量子計算機，需要至少0.5
PB（約0.5x10^15 字節）的內存。
因此，要模擬一個72量子比特的計算機，就需要數百萬倍的RAM（2^26（72-46）字節）。我們很可能無法在超級計算機中使用那么多的內存。所以，如果Bristlecone能夠比當前最強大的超級計算機更快地運行通用算法，那么量子霸權時代才將會到來。
搶占2018量子霸權競賽賽點，小型商用量子計算機5年內出現
除了量子比特，實現量子霸權還需要低的錯誤率。一臺很快但錯誤率很高的量子計算機，還不如經典的超級計算機。
根據谷歌的說法，量子計算機的最低錯誤率必須在1％以內，并且有接近100個量子比特的規模。目前看，在錯誤率上，谷歌在72位量子計算機上已經實現了這個目標，單量子比特門為0.1％，雙量子比特門為0.6％。
當我們可以實現幾十乃至幾百萬量子比特0.1-1％的錯誤率時，量子計算機將開始真正高效解決實際問題。這可能需要十年或者更久的時間。
但是，至少谷歌認為，在制造出大規模量子比特量子計算機之前，我們可能會先實現一些小型的、甚至是商用的量子計算機，或者說量子計算商業應用。
2017年，谷歌量子團隊在Nature刊文稱，他們堅信即使還缺乏能夠完整糾錯的理論，但5年之內仍會有與量子計算有關的小型設備問世，而這也將給投資者帶來短期的回報。“早期的量子計算設備將在量子模擬，量子輔助優化和量子采樣領域有商業運用。
展開 上海交大團隊實現全球最大規模光量子計算芯片
繼近日阿里巴巴量子實驗室施堯耘團隊宣布成功研制出當前世界最強的量子電路模擬器太章之后，5月11日，Science子刊Science Advances以“Experimental Two-dimensional Quantum Walk on a Photonic Chip”為題發表了上海交通大學物理與天文學院金賢敏研究團隊最新研究成果，報道了世界最大規模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。同時，這也是國內首個光量子計算芯片。這項研究進展對于推進模擬量子計算機研究具有重要意義。
量子計算(quantum computation) 的概念最早由阿崗國家實驗室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統可以用來仿真數字計算；稍后費曼也對這個問題產生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學院舉行的First Conference on Physics of Computation中給了一場演講，勾勒出以量子現象實現計算的愿景。費曼認為自然界本質上是遵循量子力學的，只有用遵循量子力學的裝置，才能更好地模擬它，這個力學裝置就是量子模擬器。目前量子模擬器研究中，人們更多關注的是它的量子加速能力，通常情況下，一個量子模擬器所操控的量子比特數越多，它的運算能力就越強。2011年5月11日，加拿大量子計算公司D-Wave于正式發布了全球第一款商用型量子計算機“D-Wave One”。
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與傳統計算機不同，量子計算是使用量子比特來存儲數據，并且量子不像半導體只能記錄0與1而是可以同時表示多種狀態，量子計算的優勢在于，一個40位的量子計算機能在很短時間內解開1024位計算機花數十年才能解決的問題。近年來，關于通用量子計算機的新聞屢見于報端，IBM、谷歌、英特爾等公司爭相宣告實現了更高的量子比特數紀錄。
展開 打破了物理常識的時間晶體，會是量子計算機的救世主嗎？
第一是在量子模擬上，由于量子計算的相干特性，一些量子模擬研究研究需要在零下兩百攝氏度左右的極低溫度中才能穩定進行，這就給量子計算的普及帶來很大困難。而時間晶體的周期運動特性更加穩定，不受熱力影響。可以作為量子模擬系統的元件，讓量子模擬運行的成本更低。
第二是在超高靈敏傳感器上，傳統的傳感材料，例如鉆石，只能有限的接受溫度、磁場等等的變化，如果信息過多就會導致量子態混亂。而時間晶體的穩定特性使其可以接受大量的變化信號，去檢測細胞活性、原子層厚度等等的變化。這樣穩定的高敏感傳感器，會讓生物醫學產生突飛猛進的發展。
第三是在量子計算機上，制造量子計算機的一大難點就是找到一種材料，既可以大量讀寫儲存，又可以保持恒定運動的量子態。目前看來，穩定的時間晶體擁有絕佳的儲存能力，很可能就是最適合的材料。
雖然在今天，我們距離時間晶體的實際應用還有一段不短的距離。但是當基礎物理與科技工藝一同發展時，量子計算、記憶儲存、生物醫學等等方面的突破卻距離我們越來越近了。
在不斷試圖戰勝時間的路途中，一次次的推翻這個世界的既定理論。或許這才是人類真正的偉大之處吧。
展開 
深度學習在量子力學水平上模擬物質的能力
（a）顯微表征、結構、加工、性質和性能之間的潛在聯系，（b）約含2千萬個原子的Al-Cu-Mg合金的APT數據，（c）DFT計算的72-atom超晶胞實例 （參考圖）
計算機模擬在現代工程中發揮著核心作用，使人們有可能為各種實際的應用問題提供答案。
我們已經用它們來模擬橋梁是否能支撐、火箭能否能升空等問題，并隨著技術越來越多地轉向量子尺度時，希望它們也能幫我們探索關于材料、藥物和催化劑的問題，以及很多我們從未見過甚至難以想象的問題。
現在，深度學習已經顯示出了在量子力學水平上精確模擬物質的能力。讓人工智能來計算電子密度，或許是DeepMind團隊迄今為止進行過的最雄心勃勃的嘗試，這是DFT計算的終極結果。
（轉載https://c.m.163.com/news/a/GR21MB630511D3CN.html?spss=newsapp）
#參考來源：
https://deepmind.com/blog/article/Simulating-matter-on-the-quantum-scale-with-AI
https://www.nature.com/articles/d41586-021-03697-8
https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/Machine-learning-solves-long-standing/99/web/2021/12
展開 第一性原理、量子化學、材料模擬。軟件實戰
第一性原理、量子化學、材料模擬。軟件實戰
深度學習在量子力學水平上模擬物質的能力（轉載）
（a）顯微表征、結構、加工、性質和性能之間的潛在聯系，（b）約含2千萬個原子的Al-Cu-Mg合金的APT數據，（c）DFT計算的72-atom超晶胞實例 （參考圖）
計算機模擬在現代工程中發揮著核心作用，使人們有可能為各種實際的應用問題提供答案。
我們已經用它們來模擬橋梁是否能支撐、火箭能否能升空等問題，并隨著技術越來越多地轉向量子尺度時，希望它們也能幫我們探索關于材料、藥物和催化劑的問題，以及很多我們從未見過甚至難以想象的問題。
現在，深度學習已經顯示出了在量子力學水平上精確模擬物質的能力。讓人工智能來計算電子密度，或許是DeepMind團隊迄今為止進行過的最雄心勃勃的嘗試，這是DFT計算的終極結果。
（轉載https://c.m.163.com/news/a/GR21MB630511D3CN.html?spss=newsapp）
#參考來源：
https://deepmind.com/blog/article/Simulating-matter-on-the-quantum-scale-with-AI
https://www.nature.com/articles/d41586-021-03697-8
https://cen.acs.org/physical-chemistry/computational-chemistry/Machine-learning-solves-long-standing/99/web/2021/12
#圖片來源：
封面圖：DeepMind
展開 使用 COMSOL 模擬量子力學中的隧穿現象
但是在量子力學中，電荷等微觀粒子卻能夠穿越大于其自身攜帶總能量的勢壘層，這就是量子隧穿效應。我們可以使用 COMSOL? 軟件的“半導體模塊”中提供的 WKB 隧穿模型來以及異質結和肖特基等邊界條件，描述量子隧穿的相關現象。在下文中，我們將通過基準模型演示其用法。
Wentzel-Kramers-Brillouin 近似
根據 K.Yang、J.R.East 和 G.I. Haddad 的參考文獻（Ref. 1），若采用 Wentzel-Kramers-Brillouin（WKB）近似假設，隧穿電流會向熱離子電流增加一個分數因子 。對于在電場線上從點 1 跨越到點 2 的勢壘，分數因子 的推導公式為：
(1)
其中 為元電荷， 是玻爾茲曼常數， 是絕對溫度， 是普朗克常數， 是有效質量， 是電子的導帶邊（）以及空穴的價帶邊（）的負數。
內積分）沿電場線的點 1 到點 2 進行，而外積分沿能量軸進行。外積分的上限由 給出（ 在勢壘內的最大值），下限由
給出，其中 和 直接取自勢壘的基值。請注意，應該取兩個基值的最大值而非最小值。
WKB 隧穿模型
為了使用 WKB 近似模擬隧穿效應，首先需要設置邊界條件，此步驟涉及添加隧穿產生的額外電流密度。針對異質結，選擇熱電子發射；針對金屬接觸，選擇理想肖特基。選定上述（非默認）選項之后，新建的額外電流貢獻 欄將立即顯示在界面中，我們即可為電子和空穴分別指定額外電流貢獻。默認情況下，不需要添加額外電流。我們還可以在內置的 WKB 隧穿模型和用戶定義選項間進行選擇。請參考下方示例截圖。
選擇熱電子發射以添加額外電流貢獻。
展開 南京大學劉輝組用光學芯片模擬宇宙量子相變與時空"破洞"
雖然愛因斯坦廣義相對論成功地描述了宇宙的演化，但是宇宙起源的時空奇點是需要量子力學來解釋。
因此，為了解釋目前很多觀測的宇宙現象，特別是早期宇宙起源，理論物理學家采用量子場論模型描述宇宙時空的性質，認為宇宙時空像是一種“凝聚態量子物質”，宇宙從大爆炸誕生、演化到現在，隨著溫度的降低，宇宙時空會經過一系列量子相變過程，這種相變會導致時空真空場的對稱性破缺，而在宇宙中留下各種拓撲缺陷，例如磁單極子和宇宙弦等。通過探測這些時空的拓撲缺陷，人們不但可以追溯早期宇宙的誕生過程，而且觀測量子引力效應和研究時空的本質。雖然人們已經開始嘗試尋找時空拓撲缺陷，但由于人類太空量子探測技術的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙時空與凝聚態物質的類比關系，理論物理學家提出了變換光學的方法，主要是在凝聚態介質中通過連續改變物質的屬性，模擬引力場彎曲時空，從而在實驗上檢驗和演示各種彎曲時空中光子態的演化特性和量子效應，例如：光子黑洞、霍金輻射效應、宇宙膨脹紅移等。
近些年，南京大學物理學院介電體超晶格實驗室的祝世寧、劉輝研究組利用變換光學芯片，開展了彎曲時空中光子態演化特性的實驗研究,取得系列成果。最近研究組的盛沖博士制備了一種二維彎曲超材料，實現一種新型的具有軸向旋轉對稱的各項異性變換光學介質，旋轉對稱中心可以模擬一維時空拓撲缺陷: 宇宙弦(圖一(a))。
圖一 (a)宇宙弦拓撲時空的嵌入圖; (b) 宇宙弦拓撲時空的角度缺損; (c)負質量宇宙弦對光線的排斥；(d)正質量宇宙弦對光線的吸引。
展開 價值2950億美元的「量子霸權」，技術水平到了哪個階段
畢竟一旦量子計算技術突破，掌握這種能力的國家，在經濟、軍事、科研、安全等領域將迅速建立全方位優勢。
距離量子計算完全發揮潛力還需十年左右的時間，但商業公司應該從現在就開始行動，時刻監控量子計算技術的發展進程，一旦在某一領域量子霸權得以實現，公司即可迅速采用。
為了更早地讓量子計算機展現出它的優勢，物理學家們想到了針對一些特殊的問題，可以用專用型量子計算機來解決。這些專用型量子計算機可以不需要邏輯門（操作一個小數量量子位元的量子線路），只靠自身系統的特點來通過模擬的方式針對性地解決問題。
目前，專用型量子計算機在解決一些問題上已經顯現出優勢，如加拿大的D-Wave公司研制了一款用絕熱量子算法尋找基態（極小值）的專用型量子計算機；中國科學技術大學（中科院-阿里巴巴實驗室）的光量子計算機用5個光量子模擬了玻色子采樣問題，在這個問題上的它的計算速度已經超越了早期的經典計算機，即歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）。
IBM和微軟均在構建量子計算社區、量子計算模擬器，以及易于使用的工具，這些工具能夠使開發者獲得量子計算的能力。一旦量子算法、對應的編程語言、量子云服務走向成熟，開發者便可逐步將它們納入自己的解決方案中。
制藥公司和其他依賴材料科學創新的公司開始探索使用量子處理器進行分子模擬。波士頓咨詢預計，近幾年，一些化學公司將利用現有的有限的量子計算能力進行相對簡單的大分子建模及優化。
涉及到搜索、神經網絡和優化算法的公司，鼓勵其數據科學家研究如何使用量子處理器加速其計算能力。與其他先進技術一樣，在人工智能和機器學習領域，那些能夠早日利用量子計算技術的公司將會建立顯著壁壘。
展開 一文讀懂 | 什么是QPU？
量子處理器可以快速分解巨大的數字，而這是密碼學中的核心功能。這意味著它們既可以打破現今的安全協議，也可以創造新的、更強大的安全協議。
此外，量子處理器非常適合模擬量子力學，反映物質在原子層面上如何運作。從設計更輕的飛機到研發更有效的藥物，這可以推動化學和材料科學的巨大進步，引發所有領域的多米諾效應。
研究人員還希望量子處理器能夠解決經典計算機在金融和物流等領域所無法處理的優化問題。最后，它們甚至可能會推動機器學習的發展。
QPU 何時上市？
量子研究者希望 QPU 來得越快越好，但目前這門技術仍面臨著多方面的挑戰。
在硬件層面，QPU 還沒有強大或可靠到足以解決大多數現實世界的工作。然而早期的 QPU 以及使用 NVIDIA cuQuantum 等軟件模擬 QPU 的 GPU 已經開始展現出有助于研究者的成果，尤其是在探索如何建造更好的 QPU 和開發量子算法的項目中。
研究者正在使用通過亞馬遜、IBM、IonQ、Rigetti、Xanadu 等公司提供的原型系統。世界各地的政府開始看到這項技術的前景，因此進行了大量投資，希望建造出規模更大、更加雄心勃勃的系統。
如何為量子處理器編程？
量子計算的軟件仍處于起步階段。
大部分量子計算軟件看起來就像是早期經典計算機中讓程序員苦不堪言的那種匯編語言代碼。所以開發者必須了解底層量子硬件的細節，以使程序正常運行。
但確實有跡象表明在這一點上正在朝著好的方向發展。未來將出現能在任何超級計算機上運行的單一軟件環境——量子操作系統。
目前有幾個早期項目正在進行中。所有項目都在努力突破當前硬件的局限性；有些項目因受到開發代碼的公司的限制而受阻。
展開 
我國量子計算機超越早期經典計算機
“這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為‘量子稱霸’的目標奠定了堅實的基礎。”潘建偉說。
量子計算機的研發有著不同的技術路線，記者在發布會上還了解到，團隊不僅是在光量子體系的研究中領先，同時還在超導體系的研究中也幾乎同時取得了突破性進展。研究團隊打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公開報道的九個超導量子比特的操縱，實現了目前世界上最大數目（十個）超導量子比特的糾纏，并在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子算法。成果即將發表于《物理評論快報》。
“當量子比特的操縱數量達到5個比特就能超越早期經典計算機，25個左右的時候，就能和現在的普通計算機計算能力相當。”潘建偉透露，目前研究團隊正在致力于20個超導量子比特量子計算機的設計、制備和測試，并計劃于今年年底前發布量子云計算平臺，供科學家“體驗”量子計算。
潘建偉預計，今年年底前將實現20比特的量子糾纏，到2020年左右，能夠達到50個左右的糾纏，誕生實現“量子稱霸”的超導計算機。“這是一個比較可靠的計劃。”潘建偉說。
展開 超算力量｜“神威·太湖之光”：“速度”與“應用”兼具
2021年11月19日，在全球超級計算大會（SC21）上，國家超級計算無錫中心、之江實驗室、清華大學、上海量子科學研究中心等單位，基于新一代“神威·太湖之光”超級計算機，聯合研發的神威量子模擬器（SWQSIM）摘得2021年度ACM“戈登·貝爾”獎。
獲獎項目：彌合“量子霸權”：使用新神威超級計算機實現隨機量子電路的實時模擬
“戈登·貝爾”獎是高性能計算應用最高獎，設立于1987年，由美國計算機協會在每年11月召開的超算領域頂級會議（SC）上頒發，旨在獎勵時代前沿的并行計算研究成果，特別是高性能計算創新應用的杰出成就，被譽為“超級計算應用領域的諾貝爾獎”。與TOP 500著眼于高速計算硬件性能不同，“戈登?貝爾”獎更注重于高性能計算應用水平。
作為大國重器，“神威·太湖之光”自問世以來就發揮著無可比擬的作用，成為國家綜合科研實力和科技發展水平的重要體現。不論是服務國家戰略，還是產業應用、社會民生，“神威·太湖之光”都展現了強大的實力，讓有限的計算變成無限的可能。
“神威·太湖之光”介紹
發布于2016年6月的“神威·太湖之光”由國家并行計算機工程技術研究中心研制，落戶于國家超級計算無錫中心，由清華大學負責運營。
“神威·太湖之光”整機采用高密度運算超節點和高流量可擴展復合網絡架構，實現全系統高效可擴展與并行運行；采用層次包容、分級自治的軟硬協同容錯體系，實現整機系統的高可用；運用面向典型應用和機器結構的編譯優化、自適應精細平衡調度等技術，實現應用軟件的高效運行。
“神威?太湖之光”的系統峰值性能12.5億億次，持續性能9.3億億次，性能功耗比每瓦特60.5億次，2016～2017年，連續四次獲評世界第一。
展開 50個關鍵詞，帶你全面了解量子計算
量子計算機的計算過程可由常規計算機控制，由于量子計算的測量結果是概率性的，需要計算和測量多次，才能得到所需結果。量子并行是量子計算機的特點，對于串行計算及迭代運算，量子計算機不具備優勢。量子計算機適合于作為常規的通用計算機的高速協處理器或外圍專用處理機，或專門為實現某種量子算法或模擬某種量子系統的專用計算機。
量子計算機的程序語言
The programming language of a quantum computer
與經典計算機類似，為便于控制并通用量子計算機，必須通過量子計算機設計語言來描述待解決問題，因此量子計算機程序設計語言將作為未來通用量子計算機上的一種重要系統軟件。現有量子算法一般固化于專用量子計算設備中，如果需要改變量子算法就必須重新設計量子計算設備，實際上，這就相當于一臺求解特定具體問題（不是一類特定問題）的專用計算設備。
量子模擬器
Quantum Simulator
量子模擬在很大程度上起源于理查德·費曼（Richard Feynman）的1982年的提議，現已發展成為科學家使用可控量子系統研究在實驗上不太可行的量子現象的領域。簡而言之，現在尚不存在完整的量子計算機，并且經典計算機通常無法解決量子問題，因此“量子模擬器”提供了一種吸引人的替代方法，可以深入了解例如復雜的材料特性。
通用量子計算機
Universal Quantum Computer
量子圖靈機（QTM），也是一種通用量子計算機，是用于量子計算機的效果進行建模抽象機。它提供了一
個非常簡單的模型，可以捕獲量子計算的所有功能。任何量子算法都可以形式上表示為特定的量子圖靈機。
展開 稀有永磁電場的原子動力學
為了證實中子轟擊后的結果，研究人員還使用了阿貢國家實驗室先進光子源的超高亮度X射線光束，以及在勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心使用超級計算機對原子行為進行了大規模的量子模擬。
展望
Bansal和Delaire說：“這種材料從來沒有在如此精細的原子級別上被了解。雖然我們已經有了關于原子振蕩的重要理論，但這是我們第一次直接證實這些理論，我們的實驗結果將使研究人員能夠改進理論并建立更好的模型，以便在將來設計出更好的產品。”
