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增强提案:新增基于MindSpore Tensor数据类型的模拟器后端
TODO
#ICCXP8
RFC
dsdsdshe
成员
创建于
2025-06-05 17:47
# 增强提案:新增基于MindSpore Tensor数据类型的模拟器后端 ## 动机 目前MindQuantum模拟器mqvector后端使用C++实现,性能优异,但是针对不同平台的迁移难度较高,比如现有的mqvector_gpu后端就是使用CUDA重写的。如果使用MindSpore实现一个模拟器后端,则能够借助MindSpore的异构能力,该模拟器应当能够在所有MindSpore支持的硬件平台上运行,并且针对具体硬件的性能优化也由MindSpore层实现。 ### 目标 基于MindSpore的ms.Tensor数据类型,实现一个态矢量量子模拟器,该模拟器应当能在大部分MindSpore支持的硬件平台上运行,包括CPU、GPU、昇腾等。 ### 功能范围 模拟器支持的功能应覆盖[Simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L43) 类。 ## 潜在问题 1.基于MindSpore实现的后端的性能可能难以达到现有mqvector的程度,甚至可能存在较大差距,因为现有mqvector针对量子门演化、梯度计算等算子进行了高度性能优化,这些优化是基于量子计算的一些特殊数学性质,可能难以在MindSpore的Tensor级别的抽象上实现。 2.MindSpore目前对复数的支持还不完善,模拟器最核心的算子MatMul或者EinSum都不支持复数类型(MatMul仅在CPU上支持),因此可能无法采用最佳的实现方案,性能可能会进一步下降。后续可以考虑向MindSpore提需求,看是否能增强对复数运算的支持。 ## 实施方案 - [mindquantum/simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/tree/master/mindquantum/simulator)路径下新增 `ms_vector.py`,在其中实现 [Simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L43) 类的所有method即可。 - 最核心是应用量子门的接口[apply_gate](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L148)和计算梯度的接口[get_expectation_with_grad](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L312)。 - `apply_gate`可以通过ms.Tensor的MatMul等张量运算接口实现,本质上就是矩阵乘法。 - 梯度计算建议仍然采用Adjoint Gradient的方法(可参考[ccsrc/include/simulator/vector/gradient.h](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/ccsrc/include/simulator/vector/gradient.h)),也可以考虑利用MindSpore的自动微分能力,可能需要对比分析一下哪个性能更好。 - 基于MindSpore的能力可能存在一定性能优化的空间,比如MindSpore的静态图模式,或者一些并行化的能力。 ## 测试策略 [tests/st/test_simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/tree/master/tests/st/test_simulator)路径下有比较完善的测试用例,新增模拟器需要通过所有相关的测试用例。
# 增强提案:新增基于MindSpore Tensor数据类型的模拟器后端 ## 动机 目前MindQuantum模拟器mqvector后端使用C++实现,性能优异,但是针对不同平台的迁移难度较高,比如现有的mqvector_gpu后端就是使用CUDA重写的。如果使用MindSpore实现一个模拟器后端,则能够借助MindSpore的异构能力,该模拟器应当能够在所有MindSpore支持的硬件平台上运行,并且针对具体硬件的性能优化也由MindSpore层实现。 ### 目标 基于MindSpore的ms.Tensor数据类型,实现一个态矢量量子模拟器,该模拟器应当能在大部分MindSpore支持的硬件平台上运行,包括CPU、GPU、昇腾等。 ### 功能范围 模拟器支持的功能应覆盖[Simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L43) 类。 ## 潜在问题 1.基于MindSpore实现的后端的性能可能难以达到现有mqvector的程度,甚至可能存在较大差距,因为现有mqvector针对量子门演化、梯度计算等算子进行了高度性能优化,这些优化是基于量子计算的一些特殊数学性质,可能难以在MindSpore的Tensor级别的抽象上实现。 2.MindSpore目前对复数的支持还不完善,模拟器最核心的算子MatMul或者EinSum都不支持复数类型(MatMul仅在CPU上支持),因此可能无法采用最佳的实现方案,性能可能会进一步下降。后续可以考虑向MindSpore提需求,看是否能增强对复数运算的支持。 ## 实施方案 - [mindquantum/simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/tree/master/mindquantum/simulator)路径下新增 `ms_vector.py`,在其中实现 [Simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L43) 类的所有method即可。 - 最核心是应用量子门的接口[apply_gate](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L148)和计算梯度的接口[get_expectation_with_grad](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/mindquantum/simulator/simulator.py#L312)。 - `apply_gate`可以通过ms.Tensor的MatMul等张量运算接口实现,本质上就是矩阵乘法。 - 梯度计算建议仍然采用Adjoint Gradient的方法(可参考[ccsrc/include/simulator/vector/gradient.h](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/blob/master/ccsrc/include/simulator/vector/gradient.h)),也可以考虑利用MindSpore的自动微分能力,可能需要对比分析一下哪个性能更好。 - 基于MindSpore的能力可能存在一定性能优化的空间,比如MindSpore的静态图模式,或者一些并行化的能力。 ## 测试策略 [tests/st/test_simulator](https://gitee.com/mindspore/mindquantum/tree/master/tests/st/test_simulator)路径下有比较完善的测试用例,新增模拟器需要通过所有相关的测试用例。
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