上海量子科学研究中心联合中国超算“梦之队” 量子计算和超级计算共舞“跨界”创新

图说：戈登贝尔奖官网截图

基于我国新一代神威超级计算机，实现了超算领域全世界目前已知的最高混合精度浮点计算性能，并打破了谷歌2019年所宣称的“量子霸权”。近日，超级计算应用领域国际最高奖项——“戈登贝尔奖”，2021年度颁给了来自中国超算“梦之队”以及他们所带来的经典超算项目。有意思的是，这支专注超级计算应用的科学团队中，出现了上海量子科学研究中心的身影。

跨界之美 也是一种缘分

11月18日下午，在美国密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会（SC21）上，国际计算机协会（ACM）将2021年度“戈登贝尔奖”授予中国超算应用团队。这14人分别是来自之江实验室及国家超级计算无锡中心的刘勇、刘鑫、李芳、杨雨灵、宋佳伟、赵朋朋、王臻、彭达佳、陈华蓉，清华大学及国家超级计算无锡中心的付昊桓、陈德训，国家超级计算无锡中心的吴汶钊，上海量子科学研究中心的黄合良、郭楚。

中国超算“梦之队”带来的项目，用严谨的语言描述，叫做“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。”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。此次，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可以在304秒内完成，打破了谷歌宣称量子计算和超算在时间上高达10亿倍的差异，突破了谷歌所实现的“量子霸权”。

“我们团队参与的部分是，提出了能够将张量网络复杂性降到最低的一种计算方法。”上海量子科学研究中心的黄合良今年七八月份参与到这一算法的设计中。有趣的是，他也是“祖冲之二号”量子计算优越性实验的理论工作负责人。一次偶然的“跨界”让他在超算和量子计算这两个毫不相关的领域碰撞出了火花。

量子模拟器 提供验证新可能

年轻的量子计算研究者们发现，一直被量子计算“秒杀”的传统经典计算，很可能是一位助力量子计算机未来真正实现的“最佳拍档”。

今年以来，量子计算领域不断传出“令人激动的实验杰作”。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等人与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”；上海量子科学研究中心、中科大研究员朱晓波团队与中科院上海技术物理研究所合作，成功研制出“祖冲之二号”，则在超导量子路线上，实现了“量子优越性”。

在量子计算领域取得一系列突破时，如何验证量子计算机的准确率，愈发成为目前量子计算机研发的主要瓶颈之一。因为要制造一个量子计算机，首先要确保计算结果的准确率。然而，随着量子计算机规模的扩大，谁来验证其计算结果对不对呢？

“这就是现在量子计算机研发的主要困难之一，如何找到一种算法，能够验证量子计算结果的准确性。我们的工作使得经典超算模拟大规模量子线路的能力大幅提升，给大规模量子计算提供了检查作业的可能。”黄合良说，验证“秒算”的量子计算机，通过经典计算机验证如果需要以“天”、甚至“年”为单位，实际上是没有意义的。然而，此次的获奖项目极大地提升了超级计算的能力，让经典计算“快到起飞”。

据介绍，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，基于新一代神威超级计算机，设计出的量子模拟器，提供了每秒4.4百亿亿次的持续计算性能，这意味着基于经典计算的超算实现了量子计算的模拟。“量子模拟器作为经典计算和量子计算的桥梁，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。”

新民晚报记者 马亚宁 郜阳