中国超算应用团队研发出神威量子模拟器，摘得超算领域诺贝尔奖，打破谷歌所谓量子霸权

整理 | 刘燕

中国超算应用团队打破谷歌量子霸权。

北京时间 11 月 19 日凌晨，全球超级计算大会（SC21）在美国密苏里州圣路易斯举行，会上，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，之江实验室联合清华大学、国家超级计算无锡中心、上海量子科学研究中心等单位研发的神威量子模拟器摘得奖项。

获奖团队共包含 14 位研究者，他们是：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副主任付昊桓、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。值得一提的是，付昊桓已经是第三次摘得戈登 · 贝尔奖，他曾于 2016 年和 2017 年蝉联这一超算领域最高奖项。

“戈登贝尔奖”设立于 1987 年，是国际上高性能计算应用领域的最高学术奖项，被称为“超算领域的诺贝尔奖”。2016 年，中国超算应用首次获得“戈登贝尔奖”，此后又先后于 2017 年、2020 年获得该现奖项。今年我国共有 3 项超算应用入围戈登贝尔奖，除获奖团队应用外，另外两项应用分别是“千万核可扩展第一性原理位曼光谱模拟”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”。

据悉，之江实验室智能超算研究中心刘鑫研究员团队，联合清华大学、国家超级计算无锡中心、上海量子科学研究中心等单位，基于新一代神威超级计算机，研发量子计算模拟器 SWQSIM，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。

获奖论文论文《 Closing the “Quantum Supremacy” Gap: Achieving Real-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway Supercomputer 》

论文地址：https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3458817.3487399

SWQSIM 项目地址：https://github.com/Daisyforest/SWQsim

随着谷歌“悬铃木”、中科大“九章”等一系列集成 50~70 余量子比特计算系统的成功研发，量子计算机在随机电路采样、玻色采样等特定问题上，相对日本“富岳”、美国“顶点”等排名世界前列的超级计算机呈现出上百万倍的性能优势。量子计算，既对传统超算提出了性能上的新挑战，也提供了算法和思想上的新借鉴；而传统超算的模拟能力，也为目前高噪声量子芯片的研发提供了可靠的验证，呈现出两者相辅相成、共同发展的良好态势。

团队负责人刘鑫介绍，与“悬铃木”200 秒完成百万 0.2%保真度采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，SWQSIM 则可在 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，打破其所宣称的“量子霸权”。

“量子霸权”是一个术语，用于表示量子计算设备可以在合理的时间内解决一些经典计算机无法解决的问题。目前，谷歌公司和中国科技大学的团队等都声称已经开发出实现“量子霸权”的设备。

刘鑫介绍，该软件还可在 60 小时内完成比“悬铃木”更加复杂的 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了坚实的模拟支撑。

“可以肯定地回答，谷歌提出的随机量子电路采样任务所谓的‘量子霸权’并不成立，我们的工作表明了这一点：经典超级计算机也可以做到。”刘鑫说。

在团队获得戈登贝尔奖的工作中，研究人员引入了一个系统的设计过程，涵盖了模拟所需的算法、并行化和系统架构。使用新一代神威超级计算机，研究团队有效模拟了一个深度为 10x10 (1+40+1)随机量子电路。在模拟中，研究团队使用 4190 万核处理器实现了计算机 1.2Eflops 单精度或 4.4Eflops 混合精度性能。

参考链接：

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1716817965554598165&wfr=spider&for=pc

https://mp.weixin.qq.com/s/yY7WKJ7ftIW-sC3Juv_oDw