《全球量子計算動態(tài)觀察》歐洲最快超算與量子計算機開始“混編作戰(zhàn)”

中國計算機學(xué)會量子計算專業(yè)組

中國通信學(xué)會量子計算委員會
安徽省量子計算工程研究中心聯(lián)合出品導(dǎo)讀

據(jù)英國《新科學(xué)家》網(wǎng)站近日報道，歐洲目前運行速度最快的超級計算機“LUMI”已經(jīng)與芬蘭國家技術(shù)研究中心的第一臺量子計算機HELMI完成連接。這種結(jié)合可以幫助研究人員找出讓量子計算機與超級計算機實現(xiàn)最佳配對的方法，為一種新型計算奠定基礎(chǔ)，以便更快速地解決復(fù)雜問題。

據(jù)了解，該連接由芬蘭國家技術(shù)研究中心、CSC和阿爾托大學(xué)合作建立，芬蘭大學(xué)和該研究機構(gòu)的用戶將獲得對該平臺的試點訪問權(quán)。芬蘭國家技術(shù)研究中心的維勒·科托維塔表示，HELMI是一款超導(dǎo)量子計算機，研究人員可通過向LUMI提交程序訪問HELMI，即要求超級計算機告訴量子計算機該做什么，然后報告或使用其輸出。盡管HELMI目前只有5個量子比特，但它仍可幫助研究人員找到同時使用傳統(tǒng)計算機和量子計算機的最佳方法。中國量子計算專家解讀當(dāng)前，如何更好、更高效使用量子計算機和經(jīng)典計算機，這是一個懸而未決的事情。但量子計算與超算融合或許是未來比較好的一個趨勢。

這是一種量子-經(jīng)典混合的計算架構(gòu)，通常是指在一個系統(tǒng)中，同時包含了量子計算機和經(jīng)典的CPU/GPU計算部分。利用量子計算機芯片來制備相應(yīng)量子態(tài)并測量，再通過經(jīng)典計算機算法來分析測量結(jié)果并優(yōu)化量子計算機的參數(shù)等。更普遍來講，可以設(shè)計算法讓量子計算部分與經(jīng)典計算部分傳遞信息，合作來完成計算任務(wù)。通過這種量子-經(jīng)典混合架構(gòu)，可以充分發(fā)揮量子計算的優(yōu)勢，同時借用成熟的經(jīng)典計算方案來彌補早期量子芯片的噪聲、退相干等問題。

除科托維塔團隊外，還有其他大型量子計算機研究團隊青睞這種混合方法。

德國

2021年3月，萊布尼茨超算中心（LRZ）成立了量子集成中心(QIC)，以進一步開展混合量子-經(jīng)典系統(tǒng)的集成研究。LRZ是組成高斯超級計算中心的3個中心之一，正在與量子計算機硬件公司IQM、軟件開發(fā)商HQS和超級計算機制造商Atos合作。該項目為期三年，運行資金4000萬歐元。

2021年11月，德國聯(lián)邦教育和研究部長Anja Karliczek宣布啟動Q-Exa聯(lián)盟，這是一個雄心勃勃的項目，旨在在傳統(tǒng)高性能計算（HPC）的幫助下加速歐洲量子計算技術(shù)。2022年10月，萊布尼茨超算中心的“Euro-Q-Exa”項目獲巴伐利亞州、德國聯(lián)邦政府和歐洲的資助，將使用量子處理器作為超算的加速器。歐洲高性能計算聯(lián)合企業(yè) (EuroHPC JU) 理事會決定在萊布尼茨超級計算中心 (LRZ) 內(nèi)搭建一臺量子計算機。計劃最早在2023年，萊布尼茨超級計算中心將向歐洲用戶提供由德國聯(lián)邦教育和研究部資助的量子設(shè)備“Q-Exa”。到2026年，將再添加100量子比特系統(tǒng)。美國2021年11月，戴爾公司和離子阱量子計算公司IonQ共同測試了混合經(jīng)典-量子平臺，該平臺可以為藥理學(xué)開發(fā)建模更大、更復(fù)雜的分子。
2022年2月，Rigetti Computing宣布與Ampere Computing(安晟培)建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，以共同創(chuàng)建混合量子經(jīng)典計算機，意在通過云服務(wù)解鎖新一代的機器學(xué)習(xí)應(yīng)用。2022年11月，IBM發(fā)布433比特超導(dǎo)量子處理器Osprey，并將于2023年布局以量子為中心的超級計算機，其中QPU、CPU和GPU協(xié)同工作以加速計算。2022年12月，Qubit Pharmaceuticals 公司正在使用基于英偉達量子優(yōu)化設(shè)備架構(gòu) (QODA) 的混合經(jīng)典計算和量子計算構(gòu)建一個平臺（Atlas），來加速藥物發(fā)現(xiàn)。通過量子&經(jīng)典混合方式，Atlas平臺將計算速度提高了100000倍。日本2022年11月，富士通宣布開發(fā)量子/HPC混合計算技術(shù)，該技術(shù)利用了富士通的39量子比特量子模擬器，并配備了與“富岳”超級計算機同款CPU的“PRIMEHPC FX 700”超級計算系統(tǒng)。通過把量子計算、高性能計算（HPC）和AI技術(shù)相結(jié)合，讓沒有專業(yè)知識的用戶使用量子模擬器和HPC技術(shù)，為現(xiàn)實世界的問題尋找有效的解決方案。
法國2022年1月，法國政府啟動全國量子計算平臺建設(shè)，將以CEA運行的超大型計算中心（TGCC）為載體，實現(xiàn)傳統(tǒng)計算機和量子計算機交互操作。
此外，2022年初，歐洲量子旗艦計劃官網(wǎng)發(fā)布《歐洲量子計算和量子模擬基礎(chǔ)設(shè)施》白皮書，為如何實現(xiàn)高性能計算機與量子計算的融合發(fā)展達成共識。白皮書由歐洲高性能（HP）和量子計算社區(qū)聯(lián)合推出，涵蓋了歐洲各大超算中心以及對高性能計算有巨大需求的相關(guān)科研機構(gòu)。這份白皮書表達了QT和HPC社區(qū)的歐洲成員對如何聯(lián)合量子計算機、量子模擬器和HPC資源的看法，從而預(yù)示著新一代混合量子經(jīng)典機器的誕生，其中量子設(shè)備扮演加速器的角色，目標(biāo)是增強傳統(tǒng)超級計算機。

表：歐洲超算中心&HPC計算中心（來源白皮書）

今年10月，歐洲高性能計算聯(lián)盟（EuroHPC JU）選擇巴塞羅那超算中心作為歐洲量子計算網(wǎng)絡(luò)的六個中心之一。新的量子計算機設(shè)備將安裝在巴塞羅那超級計算中心，并與西班牙最強大、歐洲最先進的MareNostrum 5超級計算機相集成。此外，該聯(lián)盟還宣布將選擇捷克、德國、西班牙、法國、意大利、波蘭六個成員國來部署史上第一個歐洲量子計算機網(wǎng)絡(luò)。它將整合這六個國家現(xiàn)有的超級計算機，形成一個量子計算網(wǎng)絡(luò)，并于2023年下半年投入使用。

量子計算機有望最終完成最強大的經(jīng)典計算機（超級計算機）無法完成的計算。目前不少科研團隊正致力于完善量子計算機，如果能與傳統(tǒng)超級計算機“混編作戰(zhàn)”，就能充分發(fā)揮量子計算機與超級計算機的雙向優(yōu)勢。中國量子計算專家建議

我國超級計算中心總量世界排名第一，TOP500名中國占據(jù)162席，探索量子計算與傳統(tǒng)超算融合發(fā)展對算力顛覆性創(chuàng)新具有重大意義。本源量子作為國內(nèi)第一家量子計算公司，已成功研制第一臺國產(chǎn)超導(dǎo)量子計算機，并獲得安徽省首臺套重大技術(shù)裝備認定，即將推出更高算力的量子計算機，具備量子計算與傳統(tǒng)超算融合發(fā)展的先天優(yōu)勢。