【摘 要】
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量子计算是一种新的计算模拟,是量子理论与计算科学相交叉的学科,是当下计算技术最新的发展趋势。由于其利用叠加性、纠缠性和可逆性的特点,使得它在并行计算中有着无与伦比的优势。然而,目前距离可发挥巨大计算能力的量子计算机还未研制成功,受限于物理实现的工艺水平,解决具有现实意义的实际问题还需要一定时间和技术积累。因此本文所研究的量子计算模拟技术具备重要的实用价值,是开展量子计算理论研究、以及应用探索的重要
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量子计算是一种新的计算模拟,是量子理论与计算科学相交叉的学科,是当下计算技术最新的发展趋势。由于其利用叠加性、纠缠性和可逆性的特点,使得它在并行计算中有着无与伦比的优势。然而,目前距离可发挥巨大计算能力的量子计算机还未研制成功,受限于物理实现的工艺水平,解决具有现实意义的实际问题还需要一定时间和技术积累。因此本文所研究的量子计算模拟技术具备重要的实用价值,是开展量子计算理论研究、以及应用探索的重要手段和有效方法。本文研究内容如下:1.本源量子平台上HHL算法的部署实现。通过对经典的HHL算法进行深入研究,提出一个小规模的量子线路模型,用于求解一个2×2的线性方程组。并在本源量子平台上使用量子线路图和高级量子编程两种方法进行仿真验证,在b取不同参数值的情况下,保真度均达到90%以上。2.提出并实现“经典+量子”的量子模拟框架。目前,量子计算机硬件和模拟平台都不足以提供足够多的量子比特对现有量子算法完全模拟,因此本文依托于超级计算机平台,提出并实现“经典+量子”的量子模拟框架,实现对超大规模量子算法的模拟。本文使用现有的高级编程语言（C语言）对量子逻辑操作进行量子线路抽象定义,并在“神威·太湖之光”超级计算机上对QFT算法,以及在“嵩山”超级计算机上对Shor算法进行模拟实现。3.在“神威·太湖之光”上通过QFT算法的模拟实现来验证“经典+量子”的量子模拟框架。依托于神威平台的主从架构,使用高级编程语言（C语言）对QFT算法进行量子线路抽象定义。根据其异构众核的特点,采用“多进程MPI并行+进程内主从核并行”的两级并行策略,以及通信与计算隐藏的方法进行优化,缩短量子计算的模拟时间,提高模拟效率,并使用脚本达到算法半自动化执行的目的。最终在“神威·太湖之光”上实现46-qubits的QFT算法的成功部署,且加速比和MPI并行效率良好。4.在“嵩山”上通过Shor算法的模拟实现来验证“经典+量子”的量子模拟框架。通过借助“嵩山”超级计算机系统,使用高级编程语言（C语言）对Shor算法进行量子线路抽象定义。并根据CPU+DCU异构集群架构和Shor算法特点进行优化,巧妙地将算法分为两部分进行实现,使用MPI+HIP编程模型,在CPU+DCU异构集群实现对逆QFT模块的模拟,提高了整个算法的模拟效率。最终在“嵩山”上实现对42-qubits的Shor算法的成功部署。
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