提速200倍，富士通在量子计算速度上创新记录

近日，富士通宣布，在量子计算领域取得突破性进展，其新开发的量子模拟器技术大幅提升了计算速度，达到了传统方法的200倍。

这一成就对于早期量子计算机的应用和大规模问题的处理将产生深远影响。

01. 量子计算性能的重大飞跃

传统的量子经典混合算法在处理大规模问题时，随着问题规模的扩大，所需的量子线路计算次数也会大幅增加，以至于某些计算可能需要数百天才能完成。

以富士通公司为例，通过应用典型的 NISQ 算法 VQE，富士通公司开发了用于量子应用开发的量子模拟器，并一直致力于加快量子电路计算本身的速度。然而，在 VQE 中，量子电路计算的迭代次数会随着问题规模的增大而增加，因此需要很长的时间来进行计算，尤其是对于需要很多量子比特的大型问题，据估计一个量子模拟器需要几百天的时间。因此，很难开发出实用的量子算法。

然而，富士通的新技术显示，使用传统方法估计需要 200 天才能完成的计算，富士通使用其新开发的量子模拟器技术只需一天即可完成，极大地提升了计算效率。

富士通通过将大量重复执行的量子线路计算在多个组之间分布式处理，实现了同时处理的能力。此外，该公司还开发了一种在保持精确度的同时简化大规模问题的方法，使用了其开发的世界级量子模拟器之一，进一步提升了计算性能。

图｜总体 VQE 流程（来源：富士通）

02.新技术，提速200倍

具体而言，量子经典混合算法通过在执行量子线路计算的过程和使用经典计算机优化量子线路参数的过程之间交替来寻找提供最低能量状态（例如分子的基态）的量子线路。

然而，经典计算机对量子线路进行参数优化，需要准备大量参数变化较小的量子线路，依次对所有量子线路进行量子线路计算，并从结果中推导出最优参数。这需要大量的计算时间，特别是对于更大规模的问题。仅仅为了加速电路计算而增加节点数量通常受到通信开销的限制，并且需要新技术。

富士通公司着眼于参数变化较小的量子线路可以在互不影响的情况下执行，开发了一种分布式处理技术，通过将量子模拟器的计算节点分成多个组，利用 RPC 技术通过网络提交量子线路计算作业，使每个组都能执行不同的量子线路。

利用该技术，可以同时分配和计算多个不同参数的量子线路，计算时间可缩短至传统技术的 1/70。

此外，由于量子经典混合算法的计算量与待解问题方程中的项数成正比，而项数是一般 VQE 中量子比特数的四次方，因此计算量随着问题规模的增大而增大，无法在现实时间内得到结果。通过使用世界上最大的 40 量子比特量子模拟器之一的 32 量子比特模拟大分子，富士通公司发现，随着尺度的增大，小系数项与总项数之比也会增大，而且小系数项对最终计算结果的影响最小。

利用这一特性，富士通既减少了方程中的项数，又防止了计算精度的下降，从而将量子线路的计算时间缩短了约 80%。

图｜优化量子线路计算的处理流程（来源：富士通）

图｜方程系数值的频率分布因问题规模而异（来源：富士通）

通过将这两项技术相结合，富士通在世界上首次证明了在对 32 量子比特问题进行分布式处理时，将 1024 个计算节点分成 8 组，可以在一天内实现 32 量子比特的量子模拟运行时间，而之前估计需要 200 天。

这有望推动针对大量量子比特问题的量子算法的发展，以及量子计算机在材料和金融领域的应用。

03. 富士通的远见策略

富士通计划将这项技术整合到其混合量子计算平台中，以推进量子计算机在金融、药物发现等领域的实际应用研究。公司还打算将该技术应用于实际的量子计算机上，以加快量子线路计算的速度。

在当前量子计算机仍然面临噪声等问题的挑战背景下，富士通的这项技术不仅展示了容错量子计算机（FTQC）的实际应用前景，也为当前的中等规模量子计算机提供了实用的解决方案。

业界专家对富士通的这一技术进展给予了高度评价。专家们期待这种技术能够大幅加速在材料科学和药物开发等领域的量子计算应用，特别是对于变分量子本征求解器（VQE）算法的优化，这项技术有望带来重大的提升。

富士胶片公司分析技术中心高级研究科学家 Yukihiro Okuno表示：“我们正在研究量子计算机在材料开发中的应用。其中，NISQ设备中VQE的使用是必不可少的考虑因素。我们预计这项加速技术将大大加快VQE算法的原理验证速度。”

东京电子有限公司数字设计中心副总裁 Tsuyoshi Moriya 表示：“我们正在研究使用 VQE 来计算与半导体材料相关的分子的能量，预测特定材料的电子结构和物理特性，并优化半导体制造过程中的化学反应。我们希望加速这个过程能够让我们快速验证VQE算法的原理和有效性，并发现它的有用性。NISQ 设备的使用受到噪声和错误的限制，我们将在考虑这些限制的同时考虑这些设备。”

引用：

[1]https://www.electronicspecifier.com/products/quantum/fujitsu-speeds-up-quantum-circuit-computation-by-200x

[2]https://www.jcnnewswire.com/pressrelease/89016/3/

[3]https://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2022/0330-01.html

[4]https://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2024/0219-01.html

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