qsim: 探索Schrödinger全状态向量量子仿真技术

量子计算是当前信息技术领域的一个热门研究方向，它利用量子力学的原理实现信息的处理和计算。随着量子技术的发展，量子计算机的实现从理论研究逐步走向实际应用。为了验证量子算法和量子电路的设计，量子仿真器成为了不可或缺的工具。qsim是一个专门为模拟量子电路设计的仿真器，它有两种运行模式，即Schrödinger全状态向量模拟器（qsim）和Schrödinger-Feynman仿真器（qsimh），用于执行交叉熵基准测试。 qsim模拟器的基础是Schrödinger全状态向量模拟方法，它通过计算状态向量的所有2^n个幅度来模拟量子系统，其中n代表量子位（qubits）的数量。与经典计算机不同，量子计算机的状态是通过量子态叠加表示，这导致在模拟过程中需要处理指数级的数据。对于每一个量子操作，如量子门（quantum gates），模拟器都要执行一次矩阵-向量乘法操作。这个操作对应于在物理量子位上施加一个逻辑量子门的操作。总的计算复杂度与量子门数g的2^n次方成正比，这里g是两量子位门（two-qubit gates）的数量。由于这个计算量是非常巨大的，所以需要采用各种优化技术来提高模拟的效率。 为了加速模拟器的运行，开发者们采用了一系列高级技术。首先是门融合技术，它通过合并连续的量子门来减少必须执行的矩阵-向量乘法的次数，从而降低计算复杂度。其次，qsim采用了单精度算术来处理计算过程中产生的浮点数运算，以减少计算资源的消耗。再者，开发者利用了高级向量指令集，比如AVX（Advanced Vector Extensions）和FMA（Fused Multiply-Add），这些指令集可以实现高效的向量和矩阵运算，显著提升模拟器的运行速度。最后，多线程技术也是被用于qsim仿真器中，通过OpenMP（Open Multi-Processing）并行处理技术，可以在支持多核处理器的平台上进一步提高模拟效率。 qsim的另一个版本qsimh，即Schrödinger-Feynman仿真器，它将量子电路分成多个独立的部分进行模拟。这种方法受到了Feynman路径积分方法的启发，即通过分解问题来简化计算过程。虽然该版本的资源摘要信息中并未详细描述qsimh的实现细节，但是可以推测它可能利用了量子电路的不同部分之间可能存在较少的相互作用的特性，从而减少整体的计算量。 qsim的引用文献中包括了F. Arute等人在《自然》杂志上发表的研究成果，该研究成功演示了使用超导量子处理器实现量子优越性（quantum supremacy），即量子计算机在特定任务上超越了最强大的传统超级计算机。此外，qsim还参考了M. Smelyanskiy等人提出的qHiPSTER项目，该项目旨在开发一套量子高性能软件测试环境。另一个参考资料是T.Häner和DS Steiger提出的工作，该工作涉及到了量子电路模拟技术的一个重要方面，即如何更有效地处理大规模量子比特的模拟问题。 标签中提到的“quantum-computing”指代了量子计算的广泛领域；“quantum-simulator”指代了用于模拟量子系统的工具；“quantum-circuit-simulator”强调了该仿真器专注于量子电路的模拟；“nisq”指的是当前阶段的量子计算机，即“Noisy Intermediate-Scale Quantum”（有噪声的中等规模量子计算机），描述了目前量子技术所处的阶段；“C++”则表明qsim仿真器是使用C++语言编写的，这体现了它在计算性能和资源管理上的高效性。 文件名称“qsim-master”可能表明这是qsim仿真器项目的主分支或者是包含项目核心代码和资源的压缩包文件。这暗示用户可以从该压缩包中提取仿真器的源代码及其依赖库，并在适当的支持C++的开发环境中构建和运行该项目。