德國尤里希研究中心的JuGene超級計算機。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

　　今日視點

　　量子計算機可謂當(dāng)今科學(xué)界的“網(wǎng)紅”，總會冒出大新聞。據(jù)《麻省理工技術(shù)評論》雜志報道，瑞士科學(xué)家近日宣布，將借助超級計算機，模擬擁有49個量子比特（qubit）的量子計算機。超過49個量子比特這一關(guān)鍵門檻，量子計算機就能獲得“量子霸權(quán)（quantum supremacy）”，擁有讓傳統(tǒng)計算機自愧弗如的強大能力。

　　上海交通大學(xué)物理與天文系教授金賢敏對科技日報記者解釋說：“49并不是一個非常精確的數(shù)字。模擬49個左右的量子比特，大概是現(xiàn)有超級計算機的最大能力，每增加1個量子比特，相應(yīng)地就需要將超級計算機的能力提升1倍，而這顯然很難。”

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

　　模擬工作極具挑戰(zhàn)性

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

　　量子計算機擁有極為強大的計算能力，這種能力源于量子疊加。50個量子比特就能代表1016個數(shù)字，傳統(tǒng)計算機需要PB（1PB=1015字節(jié)）級內(nèi)存來存儲那么多數(shù)據(jù)。而在傳統(tǒng)計算機上處理如此海量數(shù)據(jù)的困難更大，因為超級計算機由很多處理單元組成，管理這些節(jié)點進(jìn)出的數(shù)據(jù)流相當(dāng)費時費力。

　　這就使能模擬的量子比特的數(shù)目少于49個。2010年，研究人員利用當(dāng)時世界排名第五、德國尤里希研究中心的JuGene超級計算機模擬了42個量子比特的量子計算機。但近年來，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間的方法。

　　他們使用目前排名世界第五、勞倫斯伯克利國家實驗室的科里Ⅱ（CoriⅡ）超級計算機，陸續(xù)模擬了30、36、42、45位量子計算機執(zhí)行計算時的情況。科里Ⅱ擁有9304個計算節(jié)點，峰值運算性能為每秒可進(jìn)行2.91億億次浮點運算，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個節(jié)點，雖然節(jié)點間的溝通成本過大——耗費了總計算時間的75%，但獲得的每秒進(jìn)行0.428億億次浮點運算的計算能力，將量子模擬的速度提升了一個數(shù)量級。

　　他們還在勞倫斯伯克利國家實驗室另外一臺功能稍遜色的超級計算機愛迪生（Edison）上，對30、36位量子計算機進(jìn)行了模擬，表明新加速方法也適用其他超級計算機。

　　朝“量子霸權(quán)”進(jìn)發(fā)

　　“量子霸權(quán)”是美國加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾發(fā)明的名詞，用來表示“在存儲和通信帶寬呈指數(shù)級增加后，量子計算機擁有傳統(tǒng)超級計算機所不具有的能力”，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)、機器學(xué)習(xí)方面的一些問題等。頂級超級計算機目前能完成擁有5到20個量子比特的量子計算機所做的事情，但超過49個左右量子比特后，量子計算機的能力讓超級計算機望塵莫及。

　　模擬45個量子比特的量子計算機給了兩位科學(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)下了有史以來模擬量子比特數(shù)量最多的世界紀(jì)錄，這也說明了模擬更多量子比特的可能性。”

　　據(jù)金賢敏介紹，其實，我國在用超級計算機模擬量子計算機方面表現(xiàn)也非常亮眼。2016年12月，他和國防科大楊學(xué)軍校長、吳俊杰教授合作，用當(dāng)時世界排名第一的“天河二號”，最高實現(xiàn)了50個光子的玻色采樣量子計算的模擬，使用了16000個節(jié)點。

       另據(jù)《麻省理工技術(shù)評論》雜志3月報道，谷歌量子計算機團(tuán)隊負(fù)責(zé)人哈姆特·內(nèi)文稱，他們希望一年內(nèi)建造出49個量子比特的系統(tǒng)。諸多跡象表明，“量子霸權(quán)”時代正悄然來臨。

　　不過，金賢敏強調(diào)說：“用經(jīng)典超級計算機模擬量子計算機的目的，是為了厘清量子計算機要超越經(jīng)典計算機，實現(xiàn)量子霸權(quán)，應(yīng)朝哪個方向努力。模擬成功也不等于49個量子比特的量子計算機就實現(xiàn)了。量子計算機和量子模擬前景光明，但道路漫長而曲折。”

　?。ㄓ浾?劉 霞）

(責(zé)編：賀迎春、熊旭)