中国超级计算展现“大国”打破“量子霸权”

中国超级计算应用团队再一次站上了国际计算应用领域的最高领奖台。

当地时间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上，超级计算应用领域最高国际奖项————2021戈登贝尔奖的答案揭晓。由之江实验室牵头的中国超级计算应用团队凭借新一代神威超级计算机研发的量子计算模拟器3354“超大规模量子随机电路实时仿真”(SWQSIM)获得此项殊荣。这是继2016年、2017年和2020年之后，中国团队在超级计算应用领域再次登顶。

“使强用弱”的局面开始扭转。

在互联网上，许多从事超级计算工作的专业人士试图用自己的理解简单而通俗地向公众描述这项工作的重要性。这项研究没有“实体”，只展示了一个软件，很难像火箭发射或宇航员出舱那样直观地展示成果。然而，在专业人士看来，这表明中国在世界超级计算应用的前沿技术领域达到了一个显著的高峰。

中国科学院计算技术研究所副所长、研究员包云刚首次发来贺电。他说：“超大规模量子随机电路实时仿真应用奖不仅具有重大的科学意义，也展示了中国超级计算机的实力”。

中国科学院院士、中国量子科学与工程研究院南方科技大学校长于大鹏表示，“团队在算法与超算架构的结合上取得了重要突破，不仅为超算领域带来了巨大贡献，也为量子计算领域带来了巨大贡献”。

中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室主任、研究员魏凡认为，“世界上最大的量子随机电路模拟代表了最先进的量子计算模拟水平，创造了量子计算机和经典计算机的纪录”。

“戈登贝尔奖”的顶峰被美国和日本牢牢占据了30年。该奖项设立于1987年，主要授予在高性能计算应用领域最杰出的成就。它通常由当年排名前500名的计算机系统应用程序赢得。美国泰坦超级计算机和日本京超级计算机的应用软件均获此殊荣。

2016年，中国在“戈登贝尔”奖上破冰，随后在2017年和2020年获得这一荣誉。

2021年，在角逐戈登贝尔奖的6个最终项目中，一半来自中国，另一半来自美国和日本。除了获奖团队的应用外，国内其他两个应用分别是“千万核可扩展第一性原理拉曼光谱模拟”和“多架构大规模并行辛结构电磁动力学等离子体模拟”。

包云刚表示，连续获奖意味着中国此前在超级计算领域“造强用弱”的局面已经开始扭转。

打破“量子霸权”

如果用严谨的语言来描述，这个获奖项目就是一长串的表达。——使用新一代神威超级计算机实现随机量子电路的实时仿真。

据获奖团队负责人、之江实验室智能超算研究中心研究员刘昕介绍，在这项工作中，研究人员介绍了一个系统化的设计过程，包括仿真所需的基本算法、并行算法和系统级优化方法。他们在新一代神威超级计算机的基础上，提出了张量网络的近优并行分割收缩方法和混合精度算法，能够高效地并行扩展到数千万个核规模，提供每秒4400亿次的连续计算性能，是目前全球超级计算领域已知的最高混合精度浮点计算性能。

“量子计算是提高后摩尔计算效率的重要途径，也是解决大规模科学计算应用的重要手段。作为阶级之间的桥梁

中国队获奖后，关于该队打破“量子霸权”神话的消息被筛选。那么，什么是“量子霸权”？

“量子霸权”是一个科学名词，与国际政治无关。这意味着量子计算机在某些问题上远远超过了现有的计算机。这个词是美国物理学家约翰普雷斯基尔在2012年提出的。因为“霸权”这个词让很多人感到不舒服，现在科学家更愿意称之为“量子优越性”。

2019年10月，谷歌在国际学术期刊《自然》上发表文章，声称率先实现了“量子霸权”:谷歌公司研发的“悬铃木”量子计算原型机，200秒就能完成数百万个量子采样，而美国最快的“顶点”超级计算机需要1万年才能模拟出3354个，时间差高达10亿倍。

这一次，中国超级计算机应用团队在新一代神威超级计算机的基础上，证明了谷歌在2019年演示的随机量子电路采样任务也能在短时间内完成，打破了谷歌的“量子霸权”。

具体来说，中国量子模拟器SWQSIM可以在304秒内获得数百万个保真度更高的相关样本，一周内获得相同数量的不相关样本。该软件还可以在60小时内完成比“悬铃木”复杂1000多倍的量子电路仿真，实现100-400位量子电路算法的单幅和多幅仿真，为量子计算的未来发展提供仿真支持。

刘欣介绍，起初研究团队想通过全振幅模拟来设计模拟器，但这需要太多的内存。后来，他们将设计思路调整为基于张量网络收缩方法的单振幅模拟，即牺牲部分时间复杂度来寻找空间复杂度可接受的近似最优路径。起初，性能结果并不令人满意。后来团队改进了方法，计算速度提高了100多倍。

这个高平衡的最优解曾经困扰团队很长时间，组织了三个算法持续攻关。刘鑫记得，在每周例会上，大家都进行了热烈的讨论，甚至争论，都觉得自己是对的。最后，一位团队成员的提议让所有人都感到眼前一亮，于是他们按照这个方向进行实验和改进，最终达到了理想的效果。

获奖的好消息

来后，团队成员吃了一顿丰盛的晚餐，庆祝之余，每个人都表达了从事这个工作以来的收获和体会，长达3小时的聚餐，大家回忆了研发过程中的种种故事，包括那些“吵到谁也不想理谁”的学术交锋。现在，大家都可以会心一笑，轻松放下。

探索未知本身就是幸福

11月15日，中国获奖团队参加了著名量子信息科学家、美国得克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学教授斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）的特邀组会，并作了报告，后者表示，“这是一项非常有意思的工作，非常愿意看到经典计算和量子计算的融合发展”。

这项工作所有的研究开始于2020年新冠肺炎疫情时期，当时团队里绝大部分人“还从未做过量子计算”，最初的工作从调研国际相关研究开始。

论文共同通信作者、清华大学地球系统科学系教授、国家超级计算无锡中心副主任付昊桓介绍，在传统超算上实现这样一个复杂度极高的问题，触发了团队在算法、并行方法、优化方法等各个方面的创新。

“当然，我们更看重的，是真正建立了最先进的量子计算机和最先进的超算之间的桥梁，让它们可以相互促进、相互协同、相互融合。”付昊桓说。

2021年7月初，团队的研究成果被国际计算机学会通知入围“戈登·贝尔”奖后，团队决定对计算性能做进一步优化，主要针对谷歌“量子霸权”随机电路的模拟算法进行优化提升。付昊桓说，团队成员每天进行几次讨论碰撞，灵感在流动，思路在涌现，每一天的进展迅速，历经三周高强度联合攻关，达到预期的目标，并最终在论文中呈现出良好的效果。

获奖当晚，团队只派了一个代表观看直播，其他成员都淡定地睡觉去了。北京时间11月19日凌晨3时，当听到团队论文的第一个英文单词“Closing”从评奖委员会主席马克·帕森斯（Mark Parsons）口中说出时，这名团队代表立刻确认了心中那个最好的结果——获奖了！

一位获奖团队核心成员发了一条朋友圈：感谢大家的信任和伙伴们的支持，一路上的探索和灵感激发碰撞，过程虽艰辛，但探索未知本身就是幸福。

获奖并不是研究的终点，算法优化仍在持续。刘鑫向中青报·中青网记者表示，团队发现算法的优化仍有很大空间，“至少还有两个数量级以上的优化空间”。