德國(guó)尤里希研究中心的JuGene超級(jí)計(jì)算機(jī)。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

　　今日視點(diǎn)

　　量子計(jì)算機(jī)可謂當(dāng)今科學(xué)界的“網(wǎng)紅”，總會(huì)冒出大新聞。據(jù)《麻省理工技術(shù)評(píng)論》雜志報(bào)道，瑞士科學(xué)家近日宣布，將借助超級(jí)計(jì)算機(jī)，模擬擁有49個(gè)量子比特（qubit）的量子計(jì)算機(jī)。超過(guò)49個(gè)量子比特這一關(guān)鍵門(mén)檻，量子計(jì)算機(jī)就能獲得“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”，擁有讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)自愧弗如的強(qiáng)大能力。

　　上海交通大學(xué)物理與天文系教授金賢敏對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者解釋說(shuō)：“49并不是一個(gè)非常精確的數(shù)字。模擬49個(gè)左右的量子比特，大概是現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算機(jī)的最大能力，每增加1個(gè)量子比特，相應(yīng)地就需要將超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力提升1倍，而這顯然很難。”

　　不過(guò)，科學(xué)家們?nèi)〉玫闹T多突破表明，量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，成為人類強(qiáng)大的“左膀右臂”，這一天或許并不遙遠(yuǎn)。

　　模擬工作極具挑戰(zhàn)性

　　為了弄清量子計(jì)算機(jī)是否能很好地工作，科學(xué)家們必須在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行模擬，但此類工作極具挑戰(zhàn)。

　　量子計(jì)算機(jī)擁有極為強(qiáng)大的計(jì)算能力，這種能力源于量子疊加。50個(gè)量子比特就能代表1016個(gè)數(shù)字，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要PB（1PB=1015字節(jié)）級(jí)內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)那么多數(shù)據(jù)。而在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上處理如此海量數(shù)據(jù)的困難更大，因?yàn)槌?jí)計(jì)算機(jī)由很多處理單元組成，管理這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)出的數(shù)據(jù)流相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

　　這就使能模擬的量子比特的數(shù)目少于49個(gè)。2010年，研究人員利用當(dāng)時(shí)世界排名第五、德國(guó)尤里希研究中心的JuGene超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬了42個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。但近年來(lái)，這一方面取得的進(jìn)步并不大。

　　找到模擬加速新方法

　　但現(xiàn)在，情況發(fā)生了變化，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的托馬斯·漢勒和達(dá)米安·斯泰格爾找到了降低成本和時(shí)間的方法。

　　他們使用目前排名世界第五、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科里Ⅱ（CoriⅡ）超級(jí)計(jì)算機(jī)，陸續(xù)模擬了30、36、42、45位量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算時(shí)的情況。科里Ⅱ擁有9304個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，峰值運(yùn)算性能為每秒可進(jìn)行2.91億億次浮點(diǎn)運(yùn)算，搭配1PB內(nèi)存。

　　在最大的一次量子模擬中，他們使用0.5PB內(nèi)存和8192個(gè)節(jié)點(diǎn)，雖然節(jié)點(diǎn)間的溝通成本過(guò)大——耗費(fèi)了總計(jì)算時(shí)間的75%，但獲得的每秒進(jìn)行0.428億億次浮點(diǎn)運(yùn)算的計(jì)算能力，將量子模擬的速度提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　他們還在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室另外一臺(tái)功能稍遜色的超級(jí)計(jì)算機(jī)愛(ài)迪生（Edison）上，對(duì)30、36位量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行了模擬，表明新加速方法也適用其他超級(jí)計(jì)算機(jī)。

　　朝“量子霸權(quán)”進(jìn)發(fā)

　　“量子霸權(quán)”是美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾發(fā)明的名詞，用來(lái)表示“在存儲(chǔ)和通信帶寬呈指數(shù)級(jí)增加后，量子計(jì)算機(jī)擁有傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)所不具有的能力”，比如在化學(xué)和材料學(xué)里模擬分子的結(jié)構(gòu)；處理密碼學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)方面的一些問(wèn)題等。頂級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)目前能完成擁有5到20個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)所做的事情，但超過(guò)49個(gè)左右量子比特后，量子計(jì)算機(jī)的能力讓超級(jí)計(jì)算機(jī)望塵莫及。

　　模擬45個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)給了兩位科學(xué)家極大的鼓舞，漢勒和斯泰格爾表示：“據(jù)我們所知，這創(chuàng)下了有史以來(lái)模擬量子比特?cái)?shù)量最多的世界紀(jì)錄，這也說(shuō)明了模擬更多量子比特的可能性。”

　　據(jù)金賢敏介紹，其實(shí)，我國(guó)在用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬量子計(jì)算機(jī)方面表現(xiàn)也非常亮眼。2016年12月，他和國(guó)防科大楊學(xué)軍校長(zhǎng)、吳俊杰教授合作，用當(dāng)時(shí)世界排名第一的“天河二號(hào)”，最高實(shí)現(xiàn)了50個(gè)光子的玻色采樣量子計(jì)算的模擬，使用了16000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

       另?yè)?jù)《麻省理工技術(shù)評(píng)論》雜志3月報(bào)道，谷歌量子計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人哈姆特·內(nèi)文稱，他們希望一年內(nèi)建造出49個(gè)量子比特的系統(tǒng)。諸多跡象表明，“量子霸權(quán)”時(shí)代正悄然來(lái)臨。

　　不過(guò)，金賢敏強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“用經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬量子計(jì)算機(jī)的目的，是為了厘清量子計(jì)算機(jī)要超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，應(yīng)朝哪個(gè)方向努力。模擬成功也不等于49個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)就實(shí)現(xiàn)了。量子計(jì)算機(jī)和量子模擬前景光明，但道路漫長(zhǎng)而曲折。”

　　（記者 劉 霞）

(責(zé)編：賀迎春、熊旭)