走近“量子霸權”時代

　　德國尤里希研究中心的JuGene超級計算機。圖片來自網絡

　　今日視點

　　量子計算機可謂當今科學界的“網紅”，總會冒出大新聞。據《麻省理工技術評論》雜志報道，瑞士科學家近日宣布，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個量子比特這一關鍵門檻，量子計算機就能獲得“量子霸權（quantum supremacy）”，擁有讓傳統計算機自愧弗如的強大能力。

　　上海交通大學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字。模擬49個左右的量子比特，大概是現有超級計算機的最大能力，每增加1個量子比特，相應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，科學家們取得的諸多突破表明，量子計算機超越傳統計算機，成為人類強大的“左膀右臂”，這一天或許并不遙遠。

　　模擬工作極具挑戰性

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

　　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個數字，傳統計算機需要PB（1PB=1015字節）級內存來存儲那么多數據。而在傳統計算機上處理如此海量數據的困難更大，因為超級計算機由很多處理單元組成，管理這些節點進出的數據流相當費時費力。

　　這就使能模擬的量子比特的數目少于49個。2010年，研究人員利用當時世界排名第五、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，這一方面取得的進步并不大。

　　找到模擬加速新方法

　　但現在，情況發生了變化，蘇黎世聯邦理工學院的托馬斯·漢勒和達米安·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，陸續模擬了30、36、42、45位量子計算機執行計算時的情況。科里Ⅱ擁有9304個計算節點，峰值運算性能為每秒可進行2.91億億次浮點運算，搭配1PB內存。

　　在最大的一次量子模擬中，他們使用0.5PB內存和8192個節點，雖然節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”進發

　　“量子霸權”是美國加州理工學院物理學家約翰·普瑞斯基爾發明的名詞，用來表示“在存儲和通信帶寬呈指數級增加后，量子計算機擁有傳統超級計算機所不具有的能力”，比如在化學和材料學里模擬分子的結構；處理密碼學、機器學習方面的一些問題等。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家極大的鼓舞，漢勒和斯泰格爾表示：“據我們所知，這創下了有史以來模擬量子比特數量最多的世界紀錄，這也說明了模擬更多量子比特的可能性。”

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

       另據《麻省理工技術評論》雜志3月報道，谷歌量子計算機團隊負責人哈姆特·內文稱，他們希望一年內建造出49個量子比特的系統。諸多跡象表明，“量子霸權”時代正悄然來臨。

　　不過，金賢敏強調說：“用經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典計算機，實現量子霸權，應朝哪個方向努力。模擬成功也不等于49個量子比特的量子計算機就實現了。量子計算機和量子模擬前景光明，但道路漫長而曲折。”

　　（記者 劉 霞）

(責編：賀迎春、熊旭)