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走近"量子霸权"时代

2017-05-12 14:04:15

德国尤里希研究中心的JuGene超级计算机。图片来自网络

　　本日视点

　　量子计算机可谓现今科学界的“网红”，总会冒出大新闻。据《麻省理工技术评论》杂志报导，瑞士科学家近日宣布，将借助超级计算机，摹拟具有49个量子比特（qubit）的量子计算机。超过49个量子比特这1关键门坎，量子计算机就可以取得“量子霸权（quantum supremacy）”，具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其实不是1个非常精确的数字。摹拟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，而这明显很难。”

　　不过，科学家们获得的诸多突破表明，量子计算机超出传统计算机，成为人类强大的“左膀右臂”，这1天也许其实不遥远。

　　摹拟工作极具挑战性

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

　　量子计算机具有极其强大的计算能力，这类能力源于量子叠加。50个量子比特就可以代表1016个数字，传统计算机需要PB（1PB=1015字节）级内存来存储那末多数据。而在传统计算机上处理如此海量数据的困难更大，由于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。

　　这就使能摹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5、德国尤里希研究中心的JuGene超级计算机摹拟了42个量子比特的量子计算机。但最近几年来，这1方面获得的进步其实不大。

　　找到摹拟加速新方法

　　但现在，情况产生了变化，苏黎世联邦理工学院的托马斯·汉勒和达米安·斯泰格尔找到了下降本钱和时间的方法。

　　他们使用目前排名世界第5、劳伦斯伯克利国家实验室的科里Ⅱ（CoriⅡ）超级计算机，陆续摹拟了30、36、42、45位量子计算机履行计算时的情况。科里Ⅱ具有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1次量子摹拟中，他们使用0.5PB内存和8192个节点，虽然节点间的沟通本钱过大——耗费了总计算时间的75%，但取得的每秒进行0.428亿亿次浮点运算的计算能力，将量子摹拟的速度提升了1个数量级。

　　他们还在劳伦斯伯克利国家实验室另外1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摹拟，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“在存储和通讯带宽呈指数级增加后，量子计算机具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摹拟份子的结构；处理密码学、机器学习方面的1些问题等。顶级超级计算机目前能完成具有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。

　　摹拟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，这创下了有史以来摹拟量子比特数量最多的世界纪录，这也说明了摹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摹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、吴豪杰教授合作，用当时世界排名第1的“天河2号”，最高实现了50个光子的玻色彩样量子计算的摹拟，使用了16000个节点。

　　另据《麻省理工技术评论》杂志3月报导，谷歌量子计算机团队负责人哈姆特·内文称，他们希望1年内建造出49个量子比特的系统。诸多迹象表明，“量子霸权”时期正悄然来临。

　　不过，金贤敏强调说：“用经典超级计算机摹拟量子计算机的目的，是为了厘清量子计算机要超出经典计算机，实现量子霸权，应朝哪一个方向努力。摹拟成功也不等于49个量子比特的量子计算机就实现了。量子计算机和量子摹拟前景光明，但道路漫长而曲折。”

　　（记者刘霞）

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