谷歌的量子計(jì)算機(jī)，比最快的超算還快千萬(wàn)倍

（文章來(lái)源：中關(guān)村在線）

谷歌關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的論文已經(jīng)發(fā)表，我們現(xiàn)在通過(guò)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室的文章介紹，來(lái)了解更多背后的故事。橡樹(shù)嶺國(guó)際實(shí)驗(yàn)室屬于美國(guó)能源部，目前全球最快的超算Summit正是坐落于此，而2021年左右，它將建成新的超算，將是全球第一臺(tái)EB級(jí)超算。

由Google.，NASA Ames研究中心和美國(guó)能源部的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室組成的聯(lián)合研究小組已經(jīng)證明，量子計(jì)算機(jī)在某些任務(wù)上可以勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這一壯舉被稱為量子霸權(quán)。量子計(jì)算機(jī)使用量子力學(xué)定律和稱為量子位的單位大大提高了可以傳輸和處理信息的閾值。傳統(tǒng)的“位”的值為0或1，而qubit則同時(shí)使用0和1的值或其任意組合進(jìn)行編碼，從而為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)提供了多種可能性。

量子系統(tǒng)雖然仍處于早期階段，但其潛力可能會(huì)比當(dāng)今領(lǐng)先的經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)強(qiáng)大得多，并有望徹底改變材料，化學(xué)，高能物理以及整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的研究。研究小組的結(jié)果在《自然》雜志上發(fā)表，提供了量子霸權(quán)的概念證明，并建立了解決時(shí)間和能量消耗的基線比較。

美國(guó)能源部科學(xué)局副局長(zhǎng)保羅·達(dá)巴（Paul Dabbar）表示：“量子霸權(quán)的成就證明了美國(guó)創(chuàng)新的力量，美國(guó)能源部的實(shí)驗(yàn)室正在幫助并引領(lǐng)這一突破性的研究領(lǐng)域?！?“對(duì)量子技術(shù)的掌握正在創(chuàng)造一個(gè)新的信息時(shí)代，它提供了處理信息的新方法，從而使科學(xué)和社會(huì)受益?！?/p>

由Google制造并被稱為Sycamore的量子計(jì)算機(jī)由53個(gè)量子位組成。經(jīng)典計(jì)算機(jī)是ORNL的Summit，位于橡樹(shù)嶺領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算設(shè)施（OLCF）中，由于擁有4600多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，因此被譽(yù)為全球功能最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

兩種系統(tǒng)均執(zhí)行稱為隨機(jī)環(huán)路采樣（RCS）的任務(wù)，該任務(wù)專門(mén)用于測(cè)量Sycamore等量子設(shè)備的性能。在量子計(jì)算機(jī)上，仿真耗時(shí)200秒。在Summit上運(yùn)行相同的模擬后，研究小組推斷，該計(jì)算將花費(fèi)超過(guò)10,000年的時(shí)間來(lái)使用當(dāng)今最先進(jìn)的算法來(lái)完成世界上最強(qiáng)大的系統(tǒng)，從而為設(shè)計(jì)提供了量子至上性和關(guān)鍵信息的實(shí)驗(yàn)證據(jù)未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)。不僅Sycamore的速度比傳統(tǒng)的Sycamore快，而且能源效率也高出約1000萬(wàn)倍。

研究人員還估計(jì)了單個(gè)組件的性能，以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)整個(gè)Sycamore裝置的性能，證明了量子信息在按比例放大時(shí)表現(xiàn)出一致的行為-這是設(shè)計(jì)大型量子計(jì)算機(jī)的必要屬性。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，今天的量子計(jì)算機(jī)可以在基準(zhǔn)測(cè)試方面勝過(guò)最好的傳統(tǒng)計(jì)算?！?ORNL研究人員和實(shí)驗(yàn)室量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)Travis Humble說(shuō)道。 “我們還嘗試了其他方法，但是我們的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)在真實(shí)系統(tǒng)上證明這一結(jié)果的人?！?/p>

真正的系統(tǒng)至關(guān)重要。谷歌的研究人員和位于硅谷的美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心試圖利用美國(guó)宇航局的資源來(lái)解決這一問(wèn)題，很快意識(shí)到他們需要一臺(tái)功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。沒(méi)有比ORNL的Summit更強(qiáng)大的功能了。將量子計(jì)算移植到經(jīng)典的Summit中并不是一件容易的事。 RCS模擬器稱為qFlex，最初包括僅CPU計(jì)算的版本。然而，Summit從NVIDIA圖形處理單元（GPU）中獲得了世界一流的速度，該GPU解決了計(jì)算密集型數(shù)學(xué)問(wèn)題，而CPU有效地輔助了任務(wù)。

由OLCF的Dmitry Liakh開(kāi)發(fā)的庫(kù)，用于在多核CPU和GPU上執(zhí)行張量代數(shù)運(yùn)算，從而使團(tuán)隊(duì)能夠利用Summit的全部功能，再加上IBM系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)512 GB的內(nèi)存，提高了仿真速度，與純CPU的版本想，速度增加了兩倍。

“可以在ORNL的Summit上運(yùn)行的模擬實(shí)驗(yàn)證明了下一代等量子體系結(jié)構(gòu)的有效性，這表明該實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期以來(lái)一直在加速計(jì)算創(chuàng)新，并證明了經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算潛力方面的必要性，” ORNL聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 計(jì)算與計(jì)算科學(xué)總監(jiān)Jeff Nichols說(shuō)。ORNL的Titan是首個(gè)利用GPU的功能的領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算系統(tǒng)，使其能夠在2012年首次亮相，并一直保持到2018年全球功能最強(qiáng)大的十大系統(tǒng)之一。Titan的成功促成了Summit的發(fā)展， 擴(kuò)展將推動(dòng)Frontier的設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品將于2021年交付時(shí)成為美國(guó)首批百億億級(jí)計(jì)算機(jī)之一。
（責(zé)任編輯：fqj）