量子計(jì)算機(jī)的概念大家應(yīng)該都不陌生了，一臺(tái)兼具經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算能力的高性能機(jī)器。雖說(shuō)如此，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展仍處于起步階段，量子硬件不僅制造成本高昂，維護(hù)成本也不容小覷，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)基本位于全球頂級(jí)的大學(xué)或研究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，比如中科院的九章二號(hào)、祖沖之二號(hào)等。雖然各國(guó)都在積極推進(jìn)量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)，但這些系統(tǒng)的公開可用性有限，并不比超算優(yōu)秀。

資源和成本的限制下，真正的量子硬件離大眾化還遠(yuǎn)得很。然而，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子算法仍被視為一項(xiàng)重要而有用的工作，量子模擬器的出現(xiàn)讓經(jīng)典電腦也能體驗(yàn)量子計(jì)算的魅力。量子模擬器是運(yùn)行在經(jīng)典電腦系統(tǒng)上的軟件，使其得以運(yùn)行并測(cè)試量子程序。但隨著量子比特?cái)?shù)的增加，模擬量子硬件所需要的資源也會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

ARM在量子計(jì)算上的又一大成就

相信對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)有過(guò)了解的讀者應(yīng)該都知道，目前市面排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)是來(lái)自日本富士通的富岳。富岳基于ARM的A64FX CPU打造，自面世以來(lái)已經(jīng)四次位居榜首，靠的正是A64FX的高性能和擴(kuò)展性。但富岳并非量子計(jì)算機(jī)，在特定的計(jì)算項(xiàng)目上可以說(shuō)又比量子計(jì)算機(jī)慢上不少。

PRIMENHPC FX 700 / 富士通

今年3月底，富士通宣布成功開發(fā)出世界上最快的36量子位量子模擬器，該模擬器可在富士通的PRIMENHPC FX 700集群系統(tǒng)上處理36量子位的量子電路，而這套系統(tǒng)的核心正是與富岳相同的A64FX CPU。要知道，PRIMENHPC FX 700遠(yuǎn)不是富士通最快的超算系統(tǒng)，而且搭載了A64FX核心還是低頻版，其上還有富岳和PRIMENHPC FX 1000。富岳創(chuàng)造者之一，日本理化學(xué)研究所松岡聰對(duì)此新聞補(bǔ)充表示，富岳擁有16萬(wàn)個(gè)A64FX節(jié)點(diǎn)，在這一量子模擬器的支持下，將成為當(dāng)下世界上規(guī)模最大最快的量子計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)。

那么對(duì)于富士通來(lái)說(shuō)，開發(fā)出來(lái)是一回事，該如何充分利用這一量子模擬器呢？富士通首先選擇與富士膠片展開化學(xué)領(lǐng)域的合作。從今年4月起，兩者將會(huì)基于這一突破來(lái)展開分子化學(xué)反應(yīng)等應(yīng)用上的量子計(jì)算算法研究與評(píng)估，以求在材料設(shè)計(jì)上獲得新的突破。不僅如此，36量子位還不是這一模擬器的極限，富士通計(jì)劃在今年9月之前開發(fā)出40量子位的模擬器，并計(jì)劃將應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到金融與制藥上。

量子霸權(quán)并不存在

谷歌在2019年發(fā)布的54量子比特處理器Sycamore時(shí)，宣稱實(shí)現(xiàn)了所謂的“量子霸權(quán)”。該處理器由快速、高保真的量子邏輯門。發(fā)布該量子處理器之際，谷歌還不忘了“帶節(jié)奏”，稱在隨機(jī)量子電路的基準(zhǔn)測(cè)試中，Sycamore處理器只需200秒的時(shí)間，而當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)，也就是IBM的Summit，需要1萬(wàn)年時(shí)間才能得出類似的結(jié)果。

Sycamore處理器 / 谷歌

雖然IBM隨后利用硬盤二級(jí)存儲(chǔ)將這個(gè)時(shí)間進(jìn)一步縮短到了2.55天，以此來(lái)反駁谷歌的“暴論”，但兩者之間的差距依然過(guò)于明顯。后續(xù)也有一系列試圖推翻量子霸權(quán)的驗(yàn)證，比如阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室利用與Summit規(guī)模相近的計(jì)算節(jié)點(diǎn)將時(shí)間做到了19.3天，中科院的研究人員也曾利用48塊英偉達(dá)V100和12塊A100 GPU將計(jì)算時(shí)間縮短至5天。但這些結(jié)果仍然無(wú)法與谷歌的量子處理器相比，這使得部分人認(rèn)為，在特定的運(yùn)算上，量子計(jì)算機(jī)肯定會(huì)完全淘汰當(dāng)前的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

SW26010P CPU的通用架構(gòu) / 申威

去年的SC21超算大會(huì)上，之江實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家超算無(wú)錫中心等單位的研究人員聯(lián)合開發(fā)的SWQSIM量子模擬器獲得了國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)頒發(fā)的戈登貝爾獎(jiǎng)。在基于全新的SW26010PCPU的新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)上，該量子模擬器進(jìn)行模擬隨機(jī)量子電路采樣任務(wù)，將時(shí)間縮短至了304秒。而且研究人員認(rèn)為這個(gè)速度還有優(yōu)化空間，如果通過(guò)代碼定制讓神威超算生成更加平衡的張量，速度可以再度提升4到5倍。。

結(jié)語(yǔ)

誠(chéng)然量子計(jì)算機(jī)這幾年來(lái)進(jìn)展不小，但要說(shuō)淘汰掉超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”還為時(shí)尚早。當(dāng)下不少量子計(jì)算公司和云服務(wù)廠商也都在同時(shí)發(fā)展量子計(jì)算機(jī)、量子模擬器和軟件框架，比如Xanadu的Pennnylane、IBM的Qiskit、微軟的AzureQuantum、亞馬遜的Braket以及阿里巴巴的太章2.0等。將量子計(jì)算機(jī)做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)那般普及目前看來(lái)還是癡人說(shuō)夢(mèng)，但量子計(jì)算機(jī)上云很可能是普及量子計(jì)算應(yīng)用的重要一步。