《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SIMD并行的量子切分模擬加速優(yōu)化
電子技術(shù)應(yīng)用
王鶯時(shí)，邵鵬宇，蔣金虎
復(fù)旦大學(xué) 大數(shù)據(jù)研究院
摘要： 量子計(jì)算是當(dāng)前計(jì)算領(lǐng)域備受矚目的尖端課題，量子切分是為了突破當(dāng)前的硬件限制、提高可用量子比特?cái)?shù)而提出的一種極具潛力的計(jì)算框架。在使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行的研究與驗(yàn)證中，對(duì)子電路的量子模擬是最重要的算力瓶頸環(huán)節(jié)。為了提高量子模擬的效率，本研究發(fā)現(xiàn)量子模擬框架Qiskit Aer中關(guān)鍵的矩陣計(jì)算環(huán)節(jié)所使用的樸素線性代數(shù)方法存在使用SIMD進(jìn)行優(yōu)化的空間?；诖?，本研究使用AVX2指令優(yōu)化了矩陣計(jì)算部分的代碼，并通過容器化方法進(jìn)行控制變量測(cè)試。SIMD優(yōu)化方法成功地對(duì)Qiskit Aer的量子模擬效率賦予了顯著提升，經(jīng)過驗(yàn)證，此提升是穩(wěn)定、可靠、可復(fù)現(xiàn)的，并且不會(huì)對(duì)量子模擬以外的無(wú)關(guān)環(huán)節(jié)引入未知影響。本文的研究成果提高了量子切分模擬的效率，為量子切分的研究提供了更快速的工具，為Qiskit框架的進(jìn)一步優(yōu)化提供了可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)與范式。
中圖分類號(hào)：TN201;TP38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257119
中文引用格式： 王鶯時(shí)，邵鵬宇，蔣金虎. 基于SIMD并行的量子切分模擬加速優(yōu)化[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(12)：1-7.
英文引用格式： Wang Yingshi，Shao Pengyu，Jiang Jinhu. Quantum cutting simulation acceleration optimization based on SIMD parallelism[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(12)：1-7.
Quantum cutting simulation acceleration optimization based on SIMD parallelism
Wang Yingshi，Shao Pengyu，Jiang Jinhu
Institute of Big Data， Fudan University
Abstract： Quantum computing is a cutting-edge topic that has attracted much attention in the current computing field. Quantum cutting is a highly promising computing framework proposed to break through the current hardware limitations and increase the number of available quantum bits. In the research and verification of it using classical computers, quantum simulation of subcircuits is the most important bottleneck link in computing power. In order to improve the efficiency of quantum simulation, this study found that the naive linear algebra method used in the key matrix calculation link of Qiskit Aer, a quantum simulation framework commonly used in quantum projects, has room for optimization using Single Instruction Multiple Data (SIMD). Based on this, this paper uses AVX2 instructions to optimize the code of the matrix calculation part, and tests the control variables through the containerization method. The SIMD optimization method successfully gave a significant improvement in the quantum simulation efficiency of Qiskit Aer. It has been verified that this improvement is stable, reliable, and reproducible, and will not introduce unknown effects on irrelevant links outside the quantum simulation. The research results of this paper improve the efficiency of quantum cutting simulation, provide a faster tool for the study of quantum cutting, and provide experience and paradigms that can be used for further optimization of the Qiskit framework.
Key words : quantum computing；quantum circuit cutting；quantum simulation；SIMD；Qiskit

引言

量子計(jì)算（Quantum Computing，QC）是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。與經(jīng)典計(jì)算不同，量子計(jì)算遵循量子力學(xué)規(guī)律，它是能突破經(jīng)典算力瓶頸的新型計(jì)算模式[1]。但是盡管量子計(jì)算的理論優(yōu)勢(shì)使人心潮澎湃，當(dāng)前量子硬件技術(shù)仍處于早期階段。學(xué)界提出一個(gè)專有名詞“噪聲中等規(guī)模量子設(shè)備”（Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ）[2]來指代當(dāng)前的量子設(shè)備發(fā)展水平，因其量子比特?cái)?shù)量有限且易受噪聲干擾。

這種硬件限制，使得許多量子算法難以直接在真實(shí)量子設(shè)備上執(zhí)行，研究人員不得不依賴經(jīng)典計(jì)算機(jī)來對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行模擬。量子模擬為驗(yàn)證新的量子算法提供了可靠的平臺(tái)，也為量子硬件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論支撐。

量子模擬利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來模擬量子系統(tǒng)的行為，尤其是對(duì)量子電路的運(yùn)行進(jìn)行仿真。模擬的核心任務(wù)就是計(jì)算量子電路的輸出概率分布，這就要求對(duì)量子態(tài)的演化過程進(jìn)行精確建模。主流的建模方式是使用態(tài)矢（statevector）來表示一個(gè)量子態(tài)的概率分布。對(duì)個(gè)量子比特，其狀態(tài)空間為，所以一個(gè)用來表示它的態(tài)矢就需要個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。也就是說，量子模擬要求指數(shù)規(guī)模的資源，計(jì)算復(fù)雜度隨著量子比特?cái)?shù)的增加呈指數(shù)式增長(zhǎng)，這對(duì)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的硬件與軟件都提出了巨大的挑戰(zhàn)。

所以受限于量子硬件的規(guī)模和精度，經(jīng)典計(jì)算機(jī)上的量子模擬成為研究量子算法的重要手段。通過量子模擬器，研究者可以驗(yàn)證量子算法的正確性，分析其運(yùn)行效率，并探索新的算法設(shè)計(jì)。

然而，隨著量子電路規(guī)模的擴(kuò)大，經(jīng)典硬件對(duì)量子模擬的支持面臨巨大挑戰(zhàn)。尤其是在模擬超過30個(gè)量子比特的電路時(shí)，硬件資源和計(jì)算時(shí)間的需求呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這對(duì)現(xiàn)有模擬器提出了更高的性能要求。

主流的量子模擬框架包括IBM的Qiskit、Google的Cirq和微軟的Q#等。其中，Qiskit[3]是一個(gè)廣泛應(yīng)用的開源量子計(jì)算框架，提供了從量子電路設(shè)計(jì)到模擬和硬件執(zhí)行的一站式工具鏈。

Qiskit的核心模塊之一是Qiskit Aer[4]，它專注于高性能、高質(zhì)量的量子電路模擬。它支持狀態(tài)向量模擬、密度矩陣模擬以及噪聲模型模擬等多種模式。Qiskit Aer采用了經(jīng)典線性代數(shù)方法來計(jì)算量子態(tài)的演化，也能夠在多線程和多GPU環(huán)境下實(shí)現(xiàn)加速。


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作者信息：

王鶯時(shí)，邵鵬宇，蔣金虎

（復(fù)旦大學(xué) 大數(shù)據(jù)研究院， 上海 200433）


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