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1000量子比特！中国科学家实现最大规模的化学模拟
近日，中国科学院计算技术研究所、中国科学技术大学、山东大学的联合团队展示了一个基于矩阵乘积状态的高性能和大规模并行变分量子本征求解器 (VQE) 模拟器，结合嵌入理论解决了 HPC 平台上量子化学的大规模量子计算仿真。
最终，团队最大的模拟达到了 1000 个量子比特，在新的 “神威·太湖之光”超级计算机上实现了 216.9 PFLOP/s 的性能——这为量子化学的量子计算模拟设定了最先进的水平。
由于指数级运行时和内存要求，在经典计算机上模拟量子计算很困难。
随机电路采样(RCS)问题中的量子优势已在噪声的中尺度量子(NISQ)计算机上得到证明。在实际应用中，已有科学家使用量子蒙特卡罗(QMC)方法使用16个量子比特、65个电路深度估算了金刚石的基态能量——这是使用量子计算机进行的最大量子化学计算。
此次实验中使用的变分量子特征求解器(VQE)是解决NISQ设备上量子化学问题的有吸引力的候选者，在选择量子电路和减少错误方面具有很大的灵活性。
与RCS和QMC实验相比，有几十个量子比特的VQE模拟对量子硬件的挑战明显更大，因为：
1）随着量子比特数量的增加，电路深度迅速扩展；
2）大量参数的非线性优化明显增加了计算成本。
因此，在量子计算机上进行的最大的VQE实验只使用了12个量子比特，而目前用经典模拟器进行的VQE模拟也大多局限于10-20个量子比特的相对较小的分子。
团队的模拟器最大限度地利用张量网络方法和超级计算机的力量，以克服指数内存瓶颈，实现量子计算化学的最大经典模拟。
MPS-VQE 算法在 HPC 上的主要计算瓶颈；实验中，团队通过优化的SVD和张量运算算法克服了这一瓶颈。对于 100 到 500 的矩阵大小，团队的单侧 Jacobi SVD 平均比非优化版本快 60 倍以上。因此，使用MPS-VQE模拟器(Simulator)的最大模拟可扩展到1000个量子比特进行一次性能量评估、扩展到92个量子比特进行完全融合的VQE仿真，双量子比特门数高达10^5。
结合DMET，团队的模拟器用于研究包含103个原子的实用量子化学系统，并达到与最先进的计算方法相当的精度。
实验中，团队使用氢链来评估 DMET-MPS-VQE 模拟器的可扩展性和性能；并讨论了MPS-VQE和DMET-MPS-VQE模拟器在研究真实化学系统中的应用。最终得出结论：模拟和实验之间的相关性相当好。
作为一种启发式量子算法，VQE的准确性和性能应该在实际应用中得到验证。
在这项工作中，MPS-VQE模拟器在单次能量评估中可扩展到1000个量子比特，在收敛VQE模拟中可扩展到92个量子比特，此外，DMET-MPS-VQE模拟器在神威超级计算机上可扩展到3900万核心(core)。值得一提的是，我们可以利用VQE获得想要的现实应用，这与实验观察结果相当。
量子计算机的发展需要经典超级计算机的交织和贡献，这使我们能够受益于更成熟的经典计算。
这项工作中所达到的模拟规模，无论是从量子比特的数量还是从电路深度来看，都远远超过了现有文献中的模拟，也超过了现有量子计算机的能力。这一模拟器将是开发下一代量子计算机的一个很好的基准和验证工具，也是量子研究人员探索具有几十个量子比特的工业相关应用的一个灵活平台。
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