走近“量子霸权”时代

　　德国尤里希研究中心的JuGene超级计算机。图片来自网络

　　量子计算机可谓当今科学界的“网红”，总会冒出大新闻。据《麻省理工技术评论》杂志报道，瑞士科学家近日宣布，将借助超级计算机，模拟拥有49个量子比特（qubit）的量子计算机。超过49个量子比特这一关键门槛，量子计算机就能获得“量子霸权（quantum supremacy）”，拥有让传统计算机自愧弗如的强大能力。

　　上海交通大学物理与天文系教授金贤敏对科技日报记者解释说：“49并不是一个非常精确的数字。模拟49个左右的量子比特，大概是现有超级计算机的最大能力，每增加1个量子比特，相应地就需要将超级计算机的能力提升1倍，而这显然很难。”

　　不过，科学家们取得的诸多突破表明，量子计算机超越传统计算机，成为人类强大的“左膀右臂”，这一天或许并不遥远。

　　模拟工作极具挑战性

　　为了弄清量子计算机是否能很好地工作，科学家们必须在传统计算机上对其进行模拟，但此类工作极具挑战。

　　量子计算机拥有极为强大的计算能力，这种能力源于量子叠加。50个量子比特就能代表1016个数字，传统计算机需要PB（1PB=1015字节）级内存来存储那么多数据。而在传统计算机上处理如此海量数据的困难更大，因为超级计算机由很多处理单元组成，管理这些节点进出的数据流相当费时费力。

　　这就使能模拟的量子比特的数目少于49个。2010年，研究人员利用当时世界排名第五、德国尤里希研究中心的JuGene超级计算机模拟了42个量子比特的量子计算机。但近年来，这一方面取得的进步并不大。

　　找到模拟加速新方法

　　但现在，情况发生了变化，苏黎世联邦理工学院的托马斯·汉勒和达米安·斯泰格尔找到了降低成本和时间的方法。

　　他们使用目前排名世界第五、劳伦斯伯克利国家实验室的科里Ⅱ（CoriⅡ）超级计算机，陆续模拟了30、36、42、45位量子计算机执行计算时的情况。科里Ⅱ拥有9304个计算节点，峰值运算性能为每秒可进行2.91亿亿次浮点运算，搭配1PB内存。

　　在最大的一次量子模拟中，他们使用0.5PB内存和8192个节点，虽然节点间的沟通成本过大——耗费了总计算时间的75%，但获得的每秒进行0.428亿亿次浮点运算的计算能力，将量子模拟的速度提升了一个数量级。

　　他们还在劳伦斯伯克利国家实验室另外一台功能稍逊色的超级计算机爱迪生（Edison）上，对30、36位量子计算机进行了模拟，表明新加速方法也适用其他超级计算机。

　　朝“量子霸权”进发

　　“量子霸权”是美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔发明的名词，用来表示“在存储和通信带宽呈指数级增加后，量子计算机拥有传统超级计算机所不具有的能力”，比如在化学和材料学里模拟分子的结构；处理密码学、机器学习方面的一些问题等。顶级超级计算机目前能完成拥有5到20个量子比特的量子计算机所做的事情，但超过49个左右量子比特后，量子计算机的能力让超级计算机望尘莫及。

　　模拟45个量子比特的量子计算机给了两位科学家极大的鼓舞，汉勒和斯泰格尔表示：“据我们所知，这创下了有史以来模拟量子比特数量最多的世界纪录，这也说明了模拟更多量子比特的可能性。”

　　据金贤敏介绍，其实，我国在用超级计算机模拟量子计算机方面表现也非常亮眼。2016年12月，他和国防科大杨学军校长、吴俊杰教授合作，用当时世界排名第一的“天河二号”，最高实现了50个光子的玻色采样量子计算的模拟，使用了16000个节点。

　　另据《麻省理工技术评论》杂志3月报道，谷歌量子计算机团队负责人哈姆特·内文称，他们希望一年内建造出49个量子比特的系统。诸多迹象表明，“量子霸权”时代正悄然来临。

　　不过，金贤敏强调说：“用经典超级计算机模拟量子计算机的目的，是为了厘清量子计算机要超越经典计算机，实现量子霸权，应朝哪个方向努力。模拟成功也不等于49个量子比特的量子计算机就实现了。量子计算机和量子模拟前景光明，但道路漫长而曲折。”　本报记者 刘 霞