中国超算再显“神威” 打破“量子霸权”

又一次，中国超算应用团队站在了国际计算应用领域的最高领奖台。

当地时间11月18日下午，超级计算应用领域国际最高奖项——2021年度“戈登·贝尔”奖的谜底在美国密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会上揭晓，之江实验室牵头的中国超算应用团队，凭借新一代神威超级计算机研发的量子计算模拟器——“超大规模量子随机电路实时模拟”（SWQSIM）获此殊荣。这是继2016年、2017年、2020年之后，中国团队再次在超级计算应用领域登顶。

“造强用弱”局面开始扭转

在互联网上，许多从事超算工作的专业人士，试着用自己的理解来向公众简单通俗地描述这项工作的重要性。这项研究是没有“实体”的，展示出来的只是一个软件，所以它很难像火箭发射或者航天员出舱那样，很直观地展现成就。然而在专业人士看来，它展现了中国在超算应用这个世界前沿科技领域，攀上了一个令人瞩目的高峰。

中国科学院计算技术研究所副所长、研究员包云岗第一时间发文表示祝贺，他说：“超大规模量子随机电路实时模拟应用的获奖，不仅具有科学上的重大意义，同时也展示了中国超级计算机的实力”。

中国科学院院士、南方科技大学量子科学与工程研究院院长俞大鹏表示，“该团队在算法和超算架构结合中取得了重要突破，不仅为超算界，也为量子计算界带来巨大贡献”。

中科院物理所固态量子信息与计算实验室主任、研究员范桁认为，“世界最大规模量子随机电路模拟，代表了最先进的量子计算模拟水平，为量子计算机和经典计算机创造了纪录”。

“戈登·贝尔”奖的高峰，曾被美国和日本牢牢占据长达30年 。这个设立于1987年的奖项，主要颁发给高性能计算应用领域最杰出的成就，通常会由当年TOP500排行名列前茅的计算机系统应用获得，美国“泰坦”超级电脑、日本“京”超级计算机上的应用软件都曾获得此奖。

2016年，中国在“戈登·贝尔”奖上破冰，随后又在2017年、2020年获此殊荣。

2021年，在争夺“戈登·贝尔”奖的6个最后项目里，有一半来自中国，另一半来自美国和日本。除获奖团队应用外，另外两项中国的应用分别是“千万核可扩展第一性原理拉曼光谱模拟”和“多架构大规模并行保辛结构电磁全动理学等离子体模拟”。

包云岗表示，连续获奖，意味着中国以前在超算领域“造强用弱”的局面开始扭转。

打破“量子霸权”

如果用严谨的语言描述，此次获奖项目是一长串的表述——使用新一代神威超级计算机，实现随机量子电路的实时模拟。

据获奖团队首席、之江实验室智能超算研究中心研究员刘鑫介绍，在这项工作中，研究人员引入了一个系统的设计过程，涵盖了模拟所需的基础算法、并行算法和系统级优化方法。他们基于新一代神威超级计算机，提出近似最优的张量网络并行切分和收缩方法及混合精度算法，可高效扩展至数千万核并行规模，并提供每秒4.4百亿亿次的持续计算性能，是超算领域全世界目前已知的最高混合精度浮点计算性能。

“量子计算是后摩尔时代计算的重要增效途径，是解决大规模科学计算应用的重要手段。量子模拟器作为经典计算和量子计算的桥梁，基于经典计算机实现量子计算的模拟，对下提供量子计算机的正确性验证，对上辅助用户开展量子算法设计，是当前带噪声的量子计算机研发过程中不可或缺的工具。”刘鑫说。

中国团队获奖后，有关该团队打破“量子霸权”神话的消息刷屏。那么，什么是“量子霸权”？

“量子霸权”是一个科学术语，与国际政治无关。它指的是量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机，这个词由美国物理学家约翰·裴士基（John Preskill）在2012年提出。由于“霸权”这个词让许多人观感不适，现在科学家更愿意把它称为“量子优越性”。

2019年10月，谷歌在国际学术期刊《自然》上发表一篇文章，宣称其率先实现了“量子霸权”：谷歌公司研发的“悬铃木”量子计算原型机，可以在200秒内完成百万量子采样，而美国最快的“顶点”超级计算机需要一万年才能模拟完成——时间上的差异高达10亿倍。

这一次，中国超算应用团队证明，谷歌公司2019年演示的随机量子电路采样任务，基于新一代神威超算也可以在短时间内完成，打破了谷歌的“量子霸权”。

具体来看，中国的量子模拟器SWQSIM可以在304秒以内，得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本。该软件还可在60小时内完成比“悬铃木”复杂1000多倍的量子电路模拟，实现100-400比特量子电路算法的单振幅和多振幅模拟，为未来量子计算的发展提供模拟支撑。

刘鑫介绍，最开始，研究团队想用全振幅模拟的方法来设计模拟器，但这对内存的需求太大了，后来他们将设计思路调整为基于张量网络收缩方法的单振幅模拟，即牺牲一部分时间复杂度，找到一条空间复杂度可以接受的近似最优路径。开始的性能结果并不理想，后来团队通过改进方法，计算速度提升了100多倍。

这个高平衡度的最优解法，曾让团队困扰了很久，连续组织了3次算法攻关。刘鑫记得，在每周举行的例会上，大家曾激烈地讨论甚至争论，都觉得自己是对的。最后，一位团队成员的提议让大家觉得眼前一亮，于是按照这个方向去实验和改进，最后获得了理想的结果。

获奖的喜讯传来后，团队成员吃了一顿丰盛的晚餐，庆祝之余，每个人都表达了从事这个工作以来的收获和体会，长达3小时的聚餐，大家回忆了研发过程中的种种故事，包括那些“吵到谁也不想理谁”的学术交锋。现在，大家都可以会心一笑，轻松放下。

探索未知本身就是幸福

11月15日，中国获奖团队参加了著名量子信息科学家、美国得克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学教授斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）的特邀组会，并作了报告，后者表示，“这是一项非常有意思的工作，非常愿意看到经典计算和量子计算的融合发展”。

这项工作所有的研究开始于2020年新冠肺炎疫情时期，当时团队里绝大部分人“还从未做过量子计算”，最初的工作从调研国际相关研究开始。

论文共同通信作者、清华大学地球系统科学系教授、国家超级计算无锡中心副主任付昊桓介绍，在传统超算上实现这样一个复杂度极高的问题，触发了团队在算法、并行方法、优化方法等各个方面的创新。

“当然，我们更看重的，是真正建立了最先进的量子计算机和最先进的超算之间的桥梁，让它们可以相互促进、相互协同、相互融合。”付昊桓说。

2021年7月初，团队的研究成果被国际计算机学会通知入围“戈登·贝尔”奖后，团队决定对计算性能做进一步优化，主要针对谷歌“量子霸权”随机电路的模拟算法进行优化提升。付昊桓说，团队成员每天进行几次讨论碰撞，灵感在流动，思路在涌现，每一天的进展迅速，历经三周高强度联合攻关，达到预期的目标，并最终在论文中呈现出良好的效果。

获奖当晚，团队只派了一个代表观看直播，其他成员都淡定地睡觉去了。北京时间11月19日凌晨3时，当听到团队论文的第一个英文单词“Closing”从评奖委员会主席马克·帕森斯（Mark Parsons）口中说出时，这名团队代表立刻确认了心中那个最好的结果——获奖了！

一位获奖团队核心成员发了一条朋友圈：感谢大家的信任和伙伴们的支持，一路上的探索和灵感激发碰撞，过程虽艰辛，但探索未知本身就是幸福。

获奖并不是研究的终点，算法优化仍在持续。刘鑫向中青报·中青网记者表示，团队发现算法的优化仍有很大空间，“至少还有两个数量级以上的优化空间”。（记者 蒋雨彤）

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