量子計算機的概念大家應(yīng)該都不陌生了，一臺兼具經(jīng)典計算與量子計算能力的高性能機器。雖說如此，量子計算機的發(fā)展仍處于起步階段，量子硬件不僅制造成本高昂，維護成本也不容小覷，現(xiàn)有的量子計算機基本位于全球頂級的大學或研究實驗室內(nèi)，比如中科院的九章二號、祖沖之二號等。雖然各國都在積極推進量子計算機的開發(fā)，但這些系統(tǒng)的公開可用性有限，并不比超算優(yōu)秀。

資源和成本的限制下，真正的量子硬件離大眾化還遠得很。然而，在經(jīng)典計算機上模擬量子算法仍被視為一項重要而有用的工作，量子模擬器的出現(xiàn)讓經(jīng)典電腦也能體驗量子計算的魅力。量子模擬器是運行在經(jīng)典電腦系統(tǒng)上的軟件，使其得以運行并測試量子程序。但隨著量子比特數(shù)的增加，模擬量子硬件所需要的資源也會呈指數(shù)級增長。

ARM在量子計算上的又一大成就

相信對超級計算機有過了解的讀者應(yīng)該都知道，目前市面排名第一的超級計算機是來自日本富士通的富岳。富岳基于ARM的A64FX CPU打造，自面世以來已經(jīng)四次位居榜首，靠的正是A64FX的高性能和擴展性。但富岳并非量子計算機，在特定的計算項目上可以說又比量子計算機慢上不少。

PRIMENHPC FX 700 / 富士通

今年3月底，富士通宣布成功開發(fā)出世界上最快的36量子位量子模擬器，該模擬器可在富士通的PRIMENHPC FX 700集群系統(tǒng)上處理36量子位的量子電路，而這套系統(tǒng)的核心正是與富岳相同的A64FX CPU。要知道，PRIMENHPC FX 700遠不是富士通最快的超算系統(tǒng)，而且搭載了A64FX核心還是低頻版，其上還有富岳和PRIMENHPC FX 1000。富岳創(chuàng)造者之一，日本理化學研究所松岡聰對此新聞補充表示，富岳擁有16萬個A64FX節(jié)點，在這一量子模擬器的支持下，將成為當下世界上規(guī)模最大最快的量子計算機模擬平臺。

那么對于富士通來說，開發(fā)出來是一回事，該如何充分利用這一量子模擬器呢？富士通首先選擇與富士膠片展開化學領(lǐng)域的合作。從今年4月起，兩者將會基于這一突破來展開分子化學反應(yīng)等應(yīng)用上的量子計算算法研究與評估，以求在材料設(shè)計上獲得新的突破。不僅如此，36量子位還不是這一模擬器的極限，富士通計劃在今年9月之前開發(fā)出40量子位的模擬器，并計劃將應(yīng)用領(lǐng)域擴展到金融與制藥上。

量子霸權(quán)并不存在

谷歌在2019年發(fā)布的54量子比特處理器Sycamore時，宣稱實現(xiàn)了所謂的“量子霸權(quán)”。該處理器由快速、高保真的量子邏輯門。發(fā)布該量子處理器之際，谷歌還不忘了“帶節(jié)奏”，稱在隨機量子電路的基準測試中，Sycamore處理器只需200秒的時間，而當時最快的超級計算機，也就是IBM的Summit，需要1萬年時間才能得出類似的結(jié)果。

Sycamore處理器 / 谷歌

雖然IBM隨后利用硬盤二級存儲將這個時間進一步縮短到了2.55天，以此來反駁谷歌的“暴論”，但兩者之間的差距依然過于明顯。后續(xù)也有一系列試圖推翻量子霸權(quán)的驗證，比如阿里巴巴達摩院量子實驗室利用與Summit規(guī)模相近的計算節(jié)點將時間做到了19.3天，中科院的研究人員也曾利用48塊英偉達V100和12塊A100 GPU將計算時間縮短至5天。但這些結(jié)果仍然無法與谷歌的量子處理器相比，這使得部分人認為，在特定的運算上，量子計算機肯定會完全淘汰當前的超級計算機。

SW26010P CPU的通用架構(gòu) / 申威

去年的SC21超算大會上，之江實驗室、國家超算無錫中心等單位的研究人員聯(lián)合開發(fā)的SWQSIM量子模擬器獲得了國際計算機協(xié)會頒發(fā)的戈登貝爾獎。在基于全新的SW26010PCPU的新一代神威超級計算機上，該量子模擬器進行模擬隨機量子電路采樣任務(wù)，將時間縮短至了304秒。而且研究人員認為這個速度還有優(yōu)化空間，如果通過代碼定制讓神威超算生成更加平衡的張量，速度可以再度提升4到5倍。。

結(jié)語

誠然量子計算機這幾年來進展不小，但要說淘汰掉超級計算機實現(xiàn)“量子霸權(quán)”還為時尚早。當下不少量子計算公司和云服務(wù)廠商也都在同時發(fā)展量子計算機、量子模擬器和軟件框架，比如Xanadu的Pennnylane、IBM的Qiskit、微軟的AzureQuantum、亞馬遜的Braket以及阿里巴巴的太章2.0等。將量子計算機做到經(jīng)典計算機那般普及目前看來還是癡人說夢，但量子計算機上云很可能是普及量子計算應(yīng)用的重要一步。