TornadoQSim：一个开源高性能模块化量子电路模拟框架

在本文中，我们提出TornadoQSim，一个用Java实现的开源量子电路模拟框架。该框架被设计为模块化且易于扩展，以容纳不同的用户自定义模拟后端，例如酉矩阵模拟技术。此外，TornadoQSim具有可互换模拟后端的能力，能够模拟任意量子电路。TornadoQSim相对于其他量子模拟器的另一新颖之处在于在异构设备上对模拟后端的透明硬件加速。TornadoQSim采用TornadoVM自动将部分模拟后端编译到异构硬件上，从而解决因底层异构编程模型导致的开发碎片化问题。对TornadoQSim的评估表明，对于一个11量子比特的全纠缠量子电路，透明利用GPU硬件相较原生Java代码可实现高达506.5$x$的性能加速。其他评估的量子算法包括Deutsch-Jozsa算法（11量子比特电路加速493.10$x$）与量子傅里叶变换算法（11量子比特电路加速518.12$x$）。最后，将酉矩阵的最佳TornadoQSim实现与通过Qiskit的语义等价模拟进行了对比评估。比较评估显示，对于小电路TornadoQSim模拟更快，而对于大电路Qiskit性能优于TornadoQSim一个数量级。