上海量子科研中心與中國超算“夢之隊”跨界共舞摘得超算大獎

　　基於我國新一代神威超級計算機，實現了超算領域全世界目前已知的最高混合精度浮點計算性能，並打破了谷歌2019年所宣稱的“量子霸權”。近日，超級計算應用領域國際最高獎項——“戈登貝爾獎”，2021年度頒給了來自中國超算“夢之隊”以及他們所帶來的經典超算項目。有意思的是，這支專注超級計算應用的科學團隊中，出現了上海量子科學研究中心的身影。

　　偶然跨界 撞出火花

　　11月18日下午，在美國密蘇裏州聖路易斯舉行的全球超級計算大會（SC21）上，國際計算機協會（ACM）將2021年度“戈登貝爾獎”授予中國超算應用團隊。獲得本屆超算大獎的這14人中，有來自上海量子科學研究中心的黃合良、郭楚。

　　中國超算“夢之隊”帶來的項目，用嚴謹的語言描述，叫做“使用新一代神威超級計算機，實現隨機量子電路的實時模擬。”2019年10月，谷歌在國際學術期刊《自然》上發表一篇文章，宣稱其率先實現了“量子霸權”：谷歌公司研發的“懸鈴木”量子計算原型機，可以在200秒內完成百萬量子採樣，而美國最快的“頂點”超級計算機需要一萬年才能模擬完成。此次，中國超算應用團隊證明，谷歌公司2019年演示的隨機量子電路採樣任務，基於新一代神威超算可以在304秒內完成，打破了谷歌宣稱量子計算和超算在時間上高達10億倍的差異，突破了谷歌所實現的“量子霸權”。

　　“我們團隊參與的部分是，提出了能夠將張量網絡複雜性降到最低的一種計算方法。”上海量子科學研究中心的黃合良今年七八月份參與到這一算法的設計中。有趣的是，他也是“祖衝之二號”量子計算優越性實驗的理論工作負責人。一次偶然的跨界讓他在超算和量子計算這兩個看似不相關的領域碰撞出了火花。

　　創新模擬“快到起飛”

　　年輕的量子計算研究者們發現，一直被量子計算“秒殺”的傳統經典計算，很可能是一位助力量子計算機未來真正實現的“最佳拍檔”。

　　今年以來，量子計算領域不斷傳出“令人激動的實驗傑作”。中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等人與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”；上海量子科學研究中心、中科大研究員朱曉波團隊與中科院上海技術物理研究所合作，成功研製出“祖衝之二號”，則在超導量子路線上，實現了“量子優越性”。

　　在量子計算領域取得一系列突破時，如何驗證量子計算機的準確率，愈發成為目前量子計算機研發的主要瓶頸之一。因為要製造一個量子計算機，首先要確保計算結果的準確率。然而，隨着量子計算機規模的擴大，誰來驗證其計算結果對不對呢？

　　“這就是現在量子計算機研發的主要困難之一，如何找到一種算法，能夠驗證量子計算結果的準確性。我們的工作使得經典超算模擬大規模量子線路的能力大幅提升，給大規模量子計算提供了“檢查作業”的可能。”黃合良説，驗證“秒算”的量子計算機，通過經典計算機“驗算”如果需要以“天”、甚至“年”為單位，實際上是沒有意義的。然而，此次的獲獎項目極大地提升了超級計算的能力，讓經典計算“快到起飛”。

　　搭建橋梁 助力研發

　　據介紹，研究人員引入了一個系統的設計過程，涵蓋了模擬所需的基礎算法、並行算法和系統級優化方法，基於新一代神威超級計算機，設計出的量子模擬器，提供了每秒4.4百億億次的持續計算性能，這意味着基於經典計算的超算實現了量子計算的模擬。“量子模擬器作為經典計算和量子計算的橋梁，對下提供量子計算機的正確性驗證，對上輔助用戶開展量子算法設計，是當前帶噪聲的量子計算機研發過程中不可或缺的工具。”