戴爾在量子計算領(lǐng)域創(chuàng)新與實踐并行

遇事不決，量子力學；腦洞不夠，平行宇宙。相信你一定刷到過“量子力學”的梗，這種看似很遙遠的科技常常被人認為是一種故弄玄虛的騙人手段，例如：量子針灸、量子閱讀、量子襪子等等，“量子+生活”產(chǎn)品幾乎都是為了營銷而做出的噱頭。

不過也不必抱有有偏見，真正的量子技術(shù)，往往是推動人類科技進步的重要手段，例如芯片技術(shù)和超導(dǎo)材料，這些已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)實生活中的量子技術(shù)為各科研領(lǐng)域帶來了顛覆性的跨越。

戴爾科技集團在量子計算領(lǐng)域有哪些創(chuàng)新與實踐？歡迎關(guān)注分享。

賈真博士

戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室

中國研究院總監(jiān)

目前量子科技的研究，主要還集中在量子通信、量子計算和量子精密測量等領(lǐng)域，一旦實現(xiàn)技術(shù)性突破，將會極大的推動人類科技的進步，這其中，量子計算（Quantum Computing）作為一項顛覆性的新興技術(shù)，正在得到科技界的廣泛關(guān)注。

量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式，即利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演化實現(xiàn)計算處理。量子計算最主要的價值可以歸納為兩點：提升算力+降低能耗。

●提升算力：量子計算的核心優(yōu)勢是可以實現(xiàn)高速并行計算。量子的并行性決定了其可以同時對2n個數(shù)進行數(shù)學運算，相當于經(jīng)典計算機重復(fù)實施2n次操作。當量子比特數(shù)量越大時，這種運算速度的優(yōu)勢將越明顯。經(jīng)典計算機在它面前就像是手打的算盤一樣。

●降低能耗：量子計算的另一核心優(yōu)勢是低能耗。量子計算中，輸入多少組數(shù)據(jù)，輸出依舊是多少組數(shù)據(jù)，計算過程中數(shù)據(jù)量沒有改變，因此計算過程沒有能耗。這也就意味著，只有在最后測量的時候產(chǎn)生了能耗。

戴爾科技集團首席技術(shù)官（CTO）John Roese認為：

“

首先，量子計算不是一個新概念。這里沒有黑科技，這些都是我們在物理學層面解開宇宙奧秘的東西，我們發(fā)現(xiàn)量子力學和圍繞它存在的技術(shù)其實是非常有用的。量子環(huán)境中存在某些特性，具體來說就是當你把一塊物質(zhì)激發(fā)到一定程度的時候，它的行為方式是不尋常的，它可以同時存在于很多狀態(tài)，而不是像在二進制世界里，它是一個1或一個0。

”

“量子技術(shù)是非常真實的存在，它在物理世界中是有真實基礎(chǔ)的。但是到目前為止，業(yè)界還沒有開發(fā)出大規(guī)模的量子系統(tǒng)?！贝鳡柨萍技瘓F首席技術(shù)官（CTO）John Roese同時預(yù)測，“可能還要三到五年的時間，我們才能真正看到有用的量子計算，而真正產(chǎn)生廣泛的行業(yè)顛覆恐怕要在十年之后?！?/p>

今天我們已經(jīng)看到量子計算在某些領(lǐng)域展現(xiàn)出其自身巨大的能量，比如量子計算的編碼學和密鑰管理，將對密碼學產(chǎn)生重要影響。不過在John Roese眼中，量子計算并不是對現(xiàn)有計算模式的顛覆，而是一種積極有效的補充。

量子計算的特長在于某些復(fù)雜數(shù)學函數(shù)的計算，其速度遠遠超出常規(guī)計算，這是因為它采用了完全不同的運行范式?！傲孔佑嬎悴⒉皇且环N替代，而是一種補充和加速?！盝ohn Roese重申，“我們必須做三件事才能使量子計算更加可行。第一，我們要定義和架構(gòu)一個可行的量子計算系統(tǒng)。第二，必須確保構(gòu)建的任何架構(gòu)都能存在于現(xiàn)實世界中。第三，如何對這些東西進行編程，因為它看起來一點也不像傳統(tǒng)的計算機?！?/p>

量子計算時代的信息安全也許是一個永恒的話題，但是在2021年到2022年間，與量子計算相關(guān)的最大熱點卻另有所在。事實上，在公有云，以及一些企業(yè)實驗室的數(shù)據(jù)中心私有云環(huán)境中，量子系統(tǒng)的開發(fā)者正熱衷于學習如何在量子環(huán)境中進行應(yīng)用開發(fā)的模擬，以及在模擬系統(tǒng)中如何進行量子計算仿真。

對于量子計算來說，目前人們關(guān)心的關(guān)鍵問題不在于是否會馬上有成熟可靠的量子計算機，而是開發(fā)者將如何獲得量子計算的早期測試系統(tǒng)，或是量子計算模擬器。這樣一來，當量子計算機時代真正到來時，開發(fā)者就可以憑借已經(jīng)掌握的相關(guān)技能，快速進行編程以及應(yīng)用開發(fā)。

作為全球領(lǐng)先的IT基礎(chǔ)架構(gòu)公司，戴爾科技集團也積極布局量子計算，保持領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢，推出了混合量子仿真平臺以及量子與經(jīng)典計算的混合系統(tǒng)。

戴爾科技集團

“混合”量子仿真平臺

戴爾科技集團在2021年9月發(fā)布了由其首席技術(shù)官辦公室研究團隊開發(fā)的用于運行“混合”量子算法的仿真平臺，該平臺提供了在經(jīng)典計算硬件上運行量子算法的快捷方式。

仿真平臺所基于的戴爾科技PowerEdge R740xd服務(wù)器擁有兩個來自英特爾第二代至強可擴展芯片系列的中央處理器，同時配備多達 24 個用于存儲數(shù)據(jù)的高速NVMe閃存驅(qū)動器，而部分信息也可保存在英特爾的 Optane DC 持久性內(nèi)存（Persistent Memory）上。

戴爾科技混合經(jīng)典/量子仿真平臺架構(gòu)圖

戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室將其開發(fā)的平臺稱之為混合仿真平臺而不是模擬器，其區(qū)別與量子計算機的構(gòu)建方式有關(guān)。大多數(shù)量子系統(tǒng)不僅具有量子線路，還具有一個或多個經(jīng)典處理器（例如 CPU），可幫助運行算法。模擬器通常只是復(fù)制系統(tǒng)的量子線路。

相比之下，像戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室開發(fā)的全新仿真平臺，提供了一個更真實的開發(fā)環(huán)境，可以重新創(chuàng)建量子計算機的量子計算元素以及經(jīng)典計算元素。戴爾科技集團的混合仿真平臺允許用戶在自己的經(jīng)典計算資源上使用 Qiskit Runtime，無論是新用戶還是成熟的量子開發(fā)人員都能更容易、更高效地構(gòu)建和完善他們的算法。通過戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室研究團隊的開發(fā)測試，該混合仿真平臺的主要優(yōu)勢包括：

●快速設(shè)置：該平臺在云原生平臺（如Kubernetes）上執(zhí)行經(jīng)典和量子計算。用戶可以輕松地部署到內(nèi)部（on-premise）基礎(chǔ)架構(gòu)。以前，用戶必須通過云提交數(shù)據(jù)和工作負載進行處理。

●更快的結(jié)果時間：每個量子電路不再需要單獨執(zhí)行和排隊等待。算法的經(jīng)典組件與量子資源緊密集成，提高了性能，縮短了開發(fā)時間。

●更高的安全性：經(jīng)典計算，包括數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化和算法執(zhí)行，可以在本地執(zhí)行，提供更高的隱私和安全性，因此數(shù)據(jù)和工作負載不需要提交給第三方。

●成本效率和選擇：通過企業(yè)內(nèi)部部署的基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，可以提供比傳統(tǒng)云服務(wù)提供商更高的成本效率和效益。此外，該仿真平臺在選擇量子解決方案時提供了靈活性，因為它也可以使用Qiskit Aer模擬器或其他類似解決方案運行。

戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室表示，其混合仿真平臺允許用戶運行量子代碼序列或研究人員所熟知的量子線路，比使用其他方法時延遲更少，在同一環(huán)境中模擬量子線路和經(jīng)典電路的能力進一步提高了效率。

戴爾科技集團

混合經(jīng)典-量子平臺

戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室在2021年11月也宣布與量子計算公司IonQ共同開發(fā)測試了一個混合-經(jīng)典量子平臺，該平臺能夠更好地實現(xiàn)混合經(jīng)典-量子解決方案。

混合量子-經(jīng)典平臺是一種結(jié)合了量子計算機和經(jīng)典計算機的方法。戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室預(yù)計此類混合平臺將為量子計算最先落地的應(yīng)用，例如為機器學習、優(yōu)化、量子化學還有其他需要大規(guī)模計算的用例，提供強勁計算動力支持。這反過來又使發(fā)現(xiàn)量子用例、提高現(xiàn)有團隊成員技能以滿足未來量子計算需求，以及為客戶開發(fā)更完整量子解決方案的低成本高效益方法成為可能。

通過該平臺，經(jīng)典和量子模擬工作負載可以在本地執(zhí)行，而量子工作負載，例如為藥理學開發(fā)建立更大、更復(fù)雜的分子模型，或者復(fù)雜的大數(shù)據(jù)機器學習任務(wù)，可以在IonQ的QPU上遠程加速執(zhí)行。

戴爾科技集團在經(jīng)典基礎(chǔ)架構(gòu)中的優(yōu)勢與IonQ的相干時間、門保真度和規(guī)模相結(jié)合，使QPU能夠解決更復(fù)雜的計算問題，允許更好地糾錯以減少使用QPU解決問題所花費的時間，也可使IonQ在室溫下運行其QPU，支持在已建立的數(shù)據(jù)中心放置，而無需外部冷卻。這些特定的IonQ優(yōu)勢助力客戶能夠快速評估選擇什么方法能夠最適合他們的量子計算旅程。

通過戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室研究團隊的開發(fā)測試，該混合-經(jīng)典量子平臺的主要優(yōu)勢包括：

●戴爾科技集團的混合經(jīng)典-量子平臺與IonQ的量子模擬和量子處理單元無縫集成。量子工作負載可以通過在戴爾科技集團基礎(chǔ)設(shè)施上運行的虛擬量子處理單元（vQPU）開發(fā)，之后可以無縫遷移到IonQ的遠程QPU（量子處理單元）上，減少額外工作量。

●通過IonQ的預(yù)留API，每個從戴爾混合-經(jīng)典量子平臺執(zhí)行的量子電路都不需要在作業(yè)隊列中等待，可以直接注入IonQ的遠程QPU。這一功能極大地提高了性能，以利用真正的QPU硬件。

●通過內(nèi)部基礎(chǔ)架構(gòu)（on-prem）解決方案可以提高成本效率并保護數(shù)據(jù)隱私。因此，企業(yè)組織也可以更高效地培訓量子程序員，并更快地實現(xiàn)業(yè)務(wù)關(guān)鍵用例。

由以上的介紹可以看到，雖然目前戴爾科技集團不直接開發(fā)量子計算平臺，但我們與其他業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的量子計算創(chuàng)新企業(yè)合作，推進混合經(jīng)典計算與量子計算結(jié)合的新策略，協(xié)助我們的開發(fā)人員更快地進行量子仿真以及高效使用量子計算資源。

戴爾科技集團首席技術(shù)官辦公室推進的前沿研究也證明了端到端混合經(jīng)典量子解決方案的能力。隨著量子硬件、算法和軟件的不斷發(fā)展，對經(jīng)典信息系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的需求將相應(yīng)地加速和擴展。這只是混合量子經(jīng)典基礎(chǔ)架構(gòu)的開始，未來也充滿了無限的可能性。戴爾科技集團將更加積極擁抱蓬勃發(fā)展的量子計算生態(tài)。