The state vector-based simulation offers a convenient approach to developing and validating quantum algorithms with noise-free results. However, limited by the absence of cache-aware implementations and unpolished circuit optimizations, the past simulators were severely constrained in performance, leading to stagnation in quantum computing. In this paper, we present an innovative quantum circuit simulation toolkit comprising gate optimization and simulation modules to address these performance challenges. For the performance, scalability, and comprehensive evaluation, we conduct a series of particular circuit benchmarks and strong scaling tests on a DGX-A100 workstation and achieve averaging 9 times speedup compared to state-of-the-art simulators, including QuEST, IBM-Aer, and NVIDIA-cuQuantum. Moreover, the critical performance metric FLOPS increases by up to a factor of 8-fold, and arithmetic intensity experiences a remarkable 96x enhancement. We believe the proposed toolkit paves the way for faster quantum circuit simulations, thereby facilitating the development of novel quantum algorithms.


翻译:基于状态向量的模拟为开发和验证量子算法提供了一种便捷途径,并能获得无噪声结果。然而,受限于缺乏缓存感知的实现以及未经精细优化的电路,过去的模拟器在性能上受到严重制约,导致了量子计算发展的停滞。本文提出了一种创新的量子电路模拟工具包,包含门优化和模拟模块,以应对这些性能挑战。为了评估其性能、可扩展性和全面性,我们在DGX-A100工作站上进行了一系列特定电路基准测试和强可扩展性测试,与包括QuEST、IBM-Aer和NVIDIA-cuQuantum在内的最先进模拟器相比,平均实现了9倍的加速。此外,关键性能指标FLOPS提升了高达8倍,算术强度显著增强了96倍。我们相信,所提出的工具包为更快的量子电路模拟铺平了道路,从而有助于新型量子算法的开发。

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