基于新一代神威超算的量子计算模拟器加速和优化

摘要

针对量子硬件规模逐步扩大、当下量子计算经典模拟速度不高的问题,提出了基于神威超算量子模拟器的两种优化方法。首先,通过改进张量转置策略和计算策略重新构建了张量收缩算子库SWTT,从而提高了部分张量收缩的计算内核效率并减少了冗余访存;其次,通过提高数据局部性的收缩路径调整方法实现了路径计算复杂度和计算效率之间的均衡。测试结果表明,该算子库改进方法可将“悬铃木”量子霸权电路模拟效率提升5.4%,单步张量收缩效率最高提升49.7倍;该路径调整方法可在路径计算复杂度膨胀2倍条件下提升约4倍的浮点效率。两种优化方法使神威超算整机模拟谷歌53量子比特20层量子芯片随机电路百万振幅采样的单精度和混合精度浮点运算效率分别从3.98%和1.69%提升至18.48%和7.42%,理论估计模拟时间从单精度的470 s降至226 s,混合精度的304 s降至134 s,证明两种方法大幅提高了量子计算模拟速度。