玻色采樣過程的經(jīng)典及量子模擬研究.pdf

1、量子計(jì)算在理論上展示出較經(jīng)典計(jì)算指數(shù)加速的計(jì)算能力，而玻色采樣過程已成為有望在實(shí)踐上首先驗(yàn)證此能力的研究對(duì)象。量子算法較經(jīng)典算法達(dá)到了指數(shù)級(jí)別的加速，典型的例子就是Shor大數(shù)質(zhì)因子分解算法。然而，由于運(yùn)行量子算法的“通用”量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)需要完成量子邏輯門等對(duì)量子態(tài)的精確操控，目前的技術(shù)水平尚難以實(shí)現(xiàn)包含較大規(guī)模量子比特的物理裝置。而2010年提出的玻色采樣過程為驗(yàn)證量子計(jì)算具有超越經(jīng)典計(jì)算的能力提供了新的思路。由于玻色采樣過程將計(jì)算

2、需要的信息編碼在玻色子(如光子)的粒子數(shù)態(tài)上，在不需要實(shí)現(xiàn)量子門的情況下，也能夠展示出經(jīng)典計(jì)算無法比擬的計(jì)算能力。因此玻色采樣被認(rèn)為是驗(yàn)證量子計(jì)算強(qiáng)大計(jì)算能力的研究典范，吸引了國際上的廣泛關(guān)注。
　　“量子模擬超越經(jīng)典模擬的最小規(guī)模”、“玻色采樣過程中演化矩陣的構(gòu)造”等是玻色采樣研究中的關(guān)鍵問題。針對(duì)前者，本文研究了玻色采樣過程在目前最快的經(jīng)典計(jì)算機(jī)——“天河”二號(hào)上的經(jīng)典模擬，力求得到在“天河”二號(hào)上模擬玻色采樣過程的性能極限；

3、針對(duì)后者，本文研究了玻色采樣光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造問題，進(jìn)行了玻色采樣實(shí)驗(yàn)。
　　本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：
　　1.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了玻色采樣經(jīng)典模擬并行程序，并在“天河”二號(hào)上進(jìn)行了大規(guī)模的并行測(cè)試。實(shí)測(cè)表明，使用了13,000個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算核心數(shù)達(dá)312,000個(gè)時(shí)，求解的最大問題的矩陣規(guī)模達(dá)到48。
　　2.基于“天河”二號(hào)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 CPU與MIC(Many Integrated Cores)架構(gòu)的異

4、構(gòu)并行程序。針對(duì)MIC中的512位的向量處理部件，利用向量指令對(duì)代碼進(jìn)行向量化。實(shí)測(cè)表明，MIC較CPU達(dá)到1.7倍的加速比。
　　3.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了分解玻色采樣過程中任意演化矩陣的程序；對(duì)于光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的光路參數(shù)未知的問題，本文利用隨機(jī)測(cè)試的方法對(duì)光路參數(shù)測(cè)量過程進(jìn)行了模擬，并分析了系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。模擬測(cè)試表明，程序能夠有效對(duì)任意U矩陣進(jìn)行分解；同時(shí)系統(tǒng)誤差對(duì)于測(cè)量實(shí)驗(yàn)的影響較小。
　　4.設(shè)計(jì)并完成了雙光子玻色采樣的