《全球量子計(jì)算動(dòng)態(tài)觀(guān)察》歐洲最快超算與量子計(jì)算機(jī)開(kāi)始“混編作戰(zhàn)”

中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)量子計(jì)算專(zhuān)業(yè)組

中國(guó)通信學(xué)會(huì)量子計(jì)算委員會(huì)
安徽省量子計(jì)算工程研究中心聯(lián)合出品導(dǎo)讀

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，歐洲目前運(yùn)行速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“LUMI”已經(jīng)與芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心的第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)HELMI完成連接。這種結(jié)合可以幫助研究人員找出讓量子計(jì)算機(jī)與超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳配對(duì)的方法，為一種新型計(jì)算奠定基礎(chǔ)，以便更快速地解決復(fù)雜問(wèn)題。

據(jù)了解，該連接由芬蘭國(guó)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(jī)構(gòu)的用戶(hù)將獲得對(duì)該平臺(tái)的試點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)。芬蘭國(guó)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(jì)算機(jī)，研究人員可通過(guò)向LUMI提交程序訪(fǎng)問(wèn)HELMI，即要求超級(jí)計(jì)算機(jī)告訴量子計(jì)算機(jī)該做什么，然后報(bào)告或使用其輸出。盡管HELMI目前只有5個(gè)量子比特，但它仍可幫助研究人員找到同時(shí)使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的最佳方法。中國(guó)量子計(jì)算專(zhuān)家解讀當(dāng)前，如何更好、更高效使用量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這是一個(gè)懸而未決的事情。但量子計(jì)算與超算融合或許是未來(lái)比較好的一個(gè)趨勢(shì)。

這是一種量子-經(jīng)典混合的計(jì)算架構(gòu)，通常是指在一個(gè)系統(tǒng)中，同時(shí)包含了量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典的CPU/GPU計(jì)算部分。利用量子計(jì)算機(jī)芯片來(lái)制備相應(yīng)量子態(tài)并測(cè)量，再通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)算法來(lái)分析測(cè)量結(jié)果并優(yōu)化量子計(jì)算機(jī)的參數(shù)等。更普遍來(lái)講，可以設(shè)計(jì)算法讓量子計(jì)算部分與經(jīng)典計(jì)算部分傳遞信息，合作來(lái)完成計(jì)算任務(wù)。通過(guò)這種量子-經(jīng)典混合架構(gòu)，可以充分發(fā)揮量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)借用成熟的經(jīng)典計(jì)算方案來(lái)彌補(bǔ)早期量子芯片的噪聲、退相干等問(wèn)題。

除科托維塔團(tuán)隊(duì)外，還有其他大型量子計(jì)算機(jī)研究團(tuán)隊(duì)青睞這種混合方法。

德國(guó)

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(jìn)一步開(kāi)展混合量子-經(jīng)典系統(tǒng)的集成研究。LRZ是組成高斯超級(jí)計(jì)算中心的3個(gè)中心之一，正在與量子計(jì)算機(jī)硬件公司IQM、軟件開(kāi)發(fā)商HQS和超級(jí)計(jì)算機(jī)制造商Atos合作。該項(xiàng)目為期三年，運(yùn)行資金4000萬(wàn)歐元。

2021年11月，德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部長(zhǎng)Anja Karliczek宣布啟動(dòng)Q-Exa聯(lián)盟，這是一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目，旨在在傳統(tǒng)高性能計(jì)算（HPC）的幫助下加速歐洲量子計(jì)算技術(shù)。2022年10月，萊布尼茨超算中心的“Euro-Q-Exa”項(xiàng)目獲巴伐利亞州、德國(guó)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(jì)算聯(lián)合企業(yè) (EuroHPC JU) 理事會(huì)決定在萊布尼茨超級(jí)計(jì)算中心 (LRZ) 內(nèi)搭建一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。計(jì)劃最早在2023年，萊布尼茨超級(jí)計(jì)算中心將向歐洲用戶(hù)提供由德國(guó)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(guó)2021年11月，戴爾公司和離子阱量子計(jì)算公司IonQ共同測(cè)試了混合經(jīng)典-量子平臺(tái)，該平臺(tái)可以為藥理學(xué)開(kāi)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(jì)算機(jī)，意在通過(guò)云服務(wù)解鎖新一代的機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)，其中QPU、CPU和GPU協(xié)同工作以加速計(jì)算。2022年12月，Qubit Pharmaceuticals 公司正在使用基于英偉達(dá)量子優(yōu)化設(shè)備架構(gòu) (QODA) 的混合經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算構(gòu)建一個(gè)平臺(tái)（Atlas），來(lái)加速藥物發(fā)現(xiàn)。通過(guò)量子&經(jīng)典混合方式，Atlas平臺(tái)將計(jì)算速度提高了100000倍。日本2022年11月，富士通宣布開(kāi)發(fā)量子/HPC混合計(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)同款CPU的“PRIMEHPC FX 700”超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)。通過(guò)把量子計(jì)算、高性能計(jì)算（HPC）和AI技術(shù)相結(jié)合，讓沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的用戶(hù)使用量子模擬器和HPC技術(shù)，為現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題尋找有效的解決方案。
法國(guó)2022年1月，法國(guó)政府啟動(dòng)全國(guó)量子計(jì)算平臺(tái)建設(shè)，將以CEA運(yùn)行的超大型計(jì)算中心（TGCC）為載體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)交互操作。
此外，2022年初，歐洲量子旗艦計(jì)劃官網(wǎng)發(fā)布《歐洲量子計(jì)算和量子模擬基礎(chǔ)設(shè)施》白皮書(shū)，為如何實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)與量子計(jì)算的融合發(fā)展達(dá)成共識(shí)。白皮書(shū)由歐洲高性能（HP）和量子計(jì)算社區(qū)聯(lián)合推出，涵蓋了歐洲各大超算中心以及對(duì)高性能計(jì)算有巨大需求的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)。這份白皮書(shū)表達(dá)了QT和HPC社區(qū)的歐洲成員對(duì)如何聯(lián)合量子計(jì)算機(jī)、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(jī)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(qiáng)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

表：歐洲超算中心&HPC計(jì)算中心（來(lái)源白皮書(shū)）

今年10月，歐洲高性能計(jì)算聯(lián)盟（EuroHPC JU）選擇巴塞羅那超算中心作為歐洲量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的六個(gè)中心之一。新的量子計(jì)算機(jī)設(shè)備將安裝在巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心，并與西班牙最強(qiáng)大、歐洲最先進(jìn)的MareNostrum 5超級(jí)計(jì)算機(jī)相集成。此外，該聯(lián)盟還宣布將選擇捷克、德國(guó)、西班牙、法國(guó)、意大利、波蘭六個(gè)成員國(guó)來(lái)部署史上第一個(gè)歐洲量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它將整合這六個(gè)國(guó)家現(xiàn)有的超級(jí)計(jì)算機(jī)，形成一個(gè)量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，并于2023年下半年投入使用。

量子計(jì)算機(jī)有望最終完成最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)（超級(jí)計(jì)算機(jī)）無(wú)法完成的計(jì)算。目前不少科研團(tuán)隊(duì)正致力于完善量子計(jì)算機(jī)，如果能與傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)“混編作戰(zhàn)”，就能充分發(fā)揮量子計(jì)算機(jī)與超級(jí)計(jì)算機(jī)的雙向優(yōu)勢(shì)。中國(guó)量子計(jì)算專(zhuān)家建議

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