Matrix Product State (MPS) is a versatile tensor network representation widely applied in quantum physics, quantum chemistry, and machine learning, etc. MPS sampling serves as a critical fundamental operation in these fields. As the problems become more complex, the scale of MPS is rapidly increasing. Traditional data parallelism is limited by memory and heavy I/O in large-scale MPS. Model parallelism that can handle large-scale MPS imposes rigid process bindings and lacks scalability. This work proposes Fast-MPS, a multi-level parallel framework for scalable MPS sampling. Our design combines data parallelism across samples with tensor parallelism along bond dimensions. We eliminate memory and I/O pressure through compression and overlapping, and revive data parallel in large-scale MPS sampling. We evaluate our approach on Gaussian Boson Sampling, a representative and demanding application. Fast-MPS achieves over 10x speedup compared to existing simulators, scales to thousands of processes, and enables simulations with 8,176 sites and bond dimension chi = 10^4, significantly outperforming the state of the art. Fast-MPS has demonstrated great potential in high-performance tensor network applications.


翻译:矩阵乘积态(MPS)是一种通用的张量网络表示,广泛应用于量子物理、量子化学和机器学习等领域。MPS采样是这些领域中一项关键的基础操作。随着问题日益复杂,MPS的规模正在迅速扩大。传统数据并行方法受限于内存和繁重的I/O开销,难以应对大规模MPS。能够处理大规模MPS的模型并行方法则存在进程绑定僵化、可扩展性不足的问题。本文提出Fast-MPS,一种用于可扩展MPS采样的多层次并行框架。我们的设计结合了跨样本的数据并行与沿键维度的张量并行。通过压缩与重叠技术,我们消除了内存与I/O压力,从而在大规模MPS采样中重新启用了数据并行。我们在高斯玻色子采样这一具有代表性且计算密集的应用上评估了我们的方法。与现有模拟器相比,Fast-MPS实现了超过10倍的加速,可扩展至数千个进程,并能模拟8,176个格点、键维度chi = 10^4的系统,性能显著优于现有技术。Fast-MPS在高性能张量网络应用中展现出巨大潜力。

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