神威处理器模拟大规模量子傅里叶变换研究与优化

"基于申威处理器的大规模量子傅里叶变换" 量子计算作为一种前沿的计算模式，利用量子位的纠缠和叠加特性，具有显著的并行处理潜力，这使得它在理论上能够解决某些传统计算机难以应对的复杂问题。然而，当前的量子计算硬件技术尚未成熟，物理实现的限制导致其计算能力受限，还无法充分展示其潜在的优势。因此，使用经典计算机模拟量子计算过程成为了验证和研究量子算法的重要手段。 量子傅里叶变换（Quantum Fourier Transform，QFT）作为量子计算中的核心部分，广泛应用于诸多量子算法，如相位估计、求阶、因数分解等关键问题。QFT的高效实现和模拟对于推动量子算法的进展、优化以及实际应用验证至关重要。文章中，研究人员借助我国自主设计的超级计算机“神威·太湖之光”，利用其搭载的申威26010处理器进行大规模量子傅里叶变换的模拟。 申威26010处理器具有异构并行的架构特点，这为优化量子傅里叶变换的模拟提供了可能。为了充分利用这一优势，研究团队结合了MPI（Message Passing Interface）进行进程间通信，利用加速线程库提高计算效率，并采用了通信与计算隐藏技术，旨在降低通信开销，提升整体性能。通过在Shor算法中模拟求解周期的部分，研究人员验证了量子傅里叶变换模拟的正确性，成功实现了46位量子比特的QFT算法模拟与优化。 这项工作不仅展示了申威处理器在量子计算模拟中的潜力，也为其他量子算法在高性能计算平台上的应用提供参考。同时，它对于推动国内量子计算软件的自主研发，以及未来新量子算法的创新具有积极的促进作用。文章指出，这种模拟方法和优化策略对于加速量子计算领域的研究和技术进步具有重要的实践价值，特别是在当前量子硬件技术亟待突破的阶段，经典计算机模拟依然是验证和优化量子算法的重要工具。 基金支持本研究的是国家自然科学基金项目，编号为61972413和61701539。通讯作者荆丽娜（1667500346@qq.com）和合作者们共同完成了这一研究，他们来自信息工程大学网络空间安全学院和郑州大学中原网络安全研究院，为量子计算领域贡献了新的理解和实践经验。