13、大规模并行量子计算软件的探索与应用
大规模并行量子计算软件的探索与应用
1. 引言
量子计算具备解决以往难以处理问题的潜力，例如大数分解、在大型搜索空间中高效寻找最优解、对量子力学系统进行建模和模拟，以及求解大型方程组等。然而，当前的量子计算机尚无法超越经典计算机，原因主要有以下几点：
- 量子算法的发展程度不如经典算法。
- 量子比特（qubits）易受环境干扰（即“退相干”），导致错误率较高。
- 计算过程中需保持相干性，目前实际上不存在与量子算法兼容的中间存储器（如处理器缓存或随机存取存储器）。
为了从这些并不完美的量子比特中获取计算能力，近期量子程序的典型设计模式是将量子和经典组件结合成混合、异构的工作流程。在这种混合执行模型中，会出现高度的并行性，计算工作负载可以分布到多个量子处理单元（QPUs），它们之间仅交换经典数据，这被称为对量子工作负载应用“经典并行性”。
2. 背景
2.1 量子卓越硬件
量子卓越公司基于钻石中的氮 - 空位（NV）中心构建量子加速器。钻石卓越的热学和电学特性使得量子比特在室温及标准气压下能有较长的相干时间。单个量子比特由单个氮原子核的两个自旋态实现，每个 NV 中心中的电子充当初始化和读取氮自旋量子比特的总线，也是多个量子比特间相互作用的媒介。核自旋由射频（RF）场控制，电子可由微波（MW）场操纵，通过波长为 532 纳米的绿色激光泵浦电子态来实现读取和初始化。
室温操作仅需现成的控制电子设备和光学元件，这种 QPUs 无需其他量子技术中常见的笨重或昂贵基础设施，如液氦冷却系统、超高真空或高精度激光器。这为将 QPU 及其相应的加速器卡小型化至与现代图形加速器相当的尺寸提供了重要机