中國超算再顯“神威” 打破“量子霸權”
中青報·中青網記者 蔣雨彤 來源：中國青年報 （ 2021年12月02日 03 版）
又一次，中國超算應用團隊站在了國際計算應用領域的最高領獎台。
當地時間11月18日下午，超級計算應用領域國際最高獎項——2021年度“戈登·貝爾”獎的謎底在美國密蘇里州聖路易斯舉行的全球超級計算大會上揭曉，之江實驗室牽頭的中國超算應用團隊，憑藉新一代神威超級計算機研發的量子計算模擬器——“超大規模量子隨機電路即時模擬”（SWQSIM）獲此殊榮。這是繼2016年、2017年、2020年之後，中國團隊再次在超級計算應用領域登頂。
“造強用弱”局面開始扭轉
在互聯網上，許多從事超算工作的專業人士，試着用自己的理解來向公眾簡單通俗地描述這項工作的重要性。這項研究是沒有“實體”的，展示出來的只是一個軟件，所以它很難像火箭發射或者航天員出艙那樣，很直觀地展現成就。然而在專業人士看來，它展現了中國在超算應用這個世界前沿科技領域，攀上了一個令人矚目的高峯。
中國科學院計算技術研究所副所長、研究員包雲崗第一時間發文表示祝賀，他説：“超大規模量子隨機電路即時模擬應用的獲獎，不僅具有科學上的重大意義，同時也展示了中國超級計算機的實力”。
中國科學院院士、南方科技大學量子科學與工程研究院院長俞大鵬表示，“該團隊在算法和超算架構結合中取得了重要突破，不僅為超算界，也為量子計算界帶來巨大貢獻”。
中科院物理所固態量子信息與計算實驗室主任、研究員範桁認為，“世界最大規模量子隨機電路模擬，代表了最先進的量子計算模擬水平，為量子計算機和經典計算機創造了紀錄”。
“戈登·貝爾”獎的高峯，曾被美國和日本牢牢佔據長達30年 。這個設立於1987年的獎項，主要頒發給高性能計算應用領域最傑出的成就，通常會由當年TOP500排行名列前茅的計算機系統應用獲得，美國“泰坦”超級電腦、日本“京”超級計算機上的應用軟件都曾獲得此獎。
2016年，中國在“戈登·貝爾”獎上破冰，隨後又在2017年、2020年獲此殊榮。
2021年，在爭奪“戈登·貝爾”獎的6個最後項目裏，有一半來自中國，另一半來自美國和日本。除獲獎團隊應用外，另外兩項中國的應用分別是“千萬核可擴展第一性原理拉曼光譜模擬”和“多架構大規模並行保辛結構電磁全動理學等離子體模擬”。
包雲崗表示，連續獲獎，意味着中國以前在超算領域“造強用弱”的局面開始扭轉。
打破“量子霸權”
如果用嚴謹的語言描述，此次獲獎項目是一長串的表述——使用新一代神威超級計算機，實現隨機量子電路的即時模擬。
據獲獎團隊首席、之江實驗室智能超算研究中心研究員劉鑫介紹，在這項工作中，研究人員引入了一個系統的設計過程，涵蓋了模擬所需的基礎算法、並行算法和系統級優化方法。他們基於新一代神威超級計算機，提出近似最優的張量網絡並行切分和收縮方法及混合精度算法，可高效擴展至數千萬核並行規模，並提供每秒4.4百億億次的持續計算性能，是超算領域全世界目前已知的最高混合精度浮點計算性能。
“量子計算是後摩爾時代計算的重要增效途徑，是解決大規模科學計算應用的重要手段。量子模擬器作為經典計算和量子計算的橋樑，基於經典計算機實現量子計算的模擬，對下提供量子計算機的正確性驗證，對上輔助用户開展量子算法設計，是當前帶噪聲的量子計算機研發過程中不可或缺的工具。”劉鑫説。
中國團隊獲獎後，有關該團隊打破“量子霸權”神話的消息刷屏。那麼，什麼是“量子霸權”？
“量子霸權”是一個科學術語，與國際政治無關。它指的是量子計算機在某個問題上遠遠超過現有的計算機，這個詞由美國物理學家約翰·裴士基（John Preskill）在2012年提出。由於“霸權”這個詞讓許多人觀感不適，現在科學家更願意把它稱為“量子優越性”。
2019年10月，谷歌在國際學術期刊《自然》上發表一篇文章，宣稱其率先實現了“量子霸權”：谷歌公司研發的“懸鈴木”量子計算原型機，可以在200秒內完成百萬量子採樣，而美國最快的“頂點”超級計算機需要一萬年才能模擬完成——時間上的差異高達10億倍。
這一次，中國超算應用團隊證明，谷歌公司2019年演示的隨機量子電路採樣任務，基於新一代神威超算也可以在短時間內完成，打破了谷歌的“量子霸權”。
具體來看，中國的量子模擬器SWQSIM可以在304秒以內，得到百萬更高保真度的關聯樣本，在一星期內得到同樣數量的無關聯樣本。該軟件還可在60小時內完成比“懸鈴木”複雜1000多倍的量子電路模擬，實現100-400比特量子電路算法的單振幅和多振幅模擬，為未來量子計算的發展提供模擬支撐。
劉鑫介紹，最開始，研究團隊想用全振幅模擬的方法來設計模擬器，但這對內存的需求太大了，後來他們將設計思路調整為基於張量網絡收縮方法的單振幅模擬，即犧牲一部分時間複雜度，找到一條空間複雜度可以接受的近似最優路徑。開始的性能結果並不理想，後來團隊通過改進方法，計算速度提升了100多倍。
這個高平衡度的最優解法，曾讓團隊困擾了很久，連續組織了3次算法攻關。劉鑫記得，在每週舉行的例會上，大家曾激烈地討論甚至爭論，都覺得自己是對的。最後，一位團隊成員的提議讓大家覺得眼前一亮，於是按照這個方向去實驗和改進，最後獲得了理想的結果。
獲獎的喜訊傳來後，團隊成員吃了一頓豐盛的晚餐，慶祝之餘，每個人都表達了從事這個工作以來的收穫和體會，長達3小時的聚餐，大家回憶了研發過程中的種種故事，包括那些“吵到誰也不想理誰”的學術交鋒。現在，大家都可以會心一笑，輕鬆放下。
探索未知本身就是幸福
11月15日，中國獲獎團隊參加了著名量子信息科學家、美國得克薩斯大學奧斯汀分校計算機科學教授斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）的特邀組會，並作了報告，後者表示，“這是一項非常有意思的工作，非常願意看到經典計算和量子計算的融合發展”。
這項工作所有的研究開始於2020年新冠肺炎疫情時期，當時團隊裏絕大部分人“還從未做過量子計算”，最初的工作從調研國際相關研究開始。
論文共同通信作者、清華大學地球系統科學系教授、國家超級計算無錫中心副主任付昊桓介紹，在傳統超算上實現這樣一個複雜度極高的問題，觸發了團隊在算法、並行方法、優化方法等各個方面的創新。
“當然，我們更看重的，是真正建立了最先進的量子計算機和最先進的超算之間的橋樑，讓它們可以相互促進、相互協同、相互融合。”付昊桓説。
2021年7月初，團隊的研究成果被國際計算機學會通知入圍“戈登·貝爾”獎後，團隊決定對計算性能做進一步優化，主要針對谷歌“量子霸權”隨機電路的模擬算法進行優化提升。付昊桓説，團隊成員每天進行幾次討論碰撞，靈感在流動，思路在湧現，每一天的進展迅速，歷經三週高強度聯合攻關，達到預期的目標，並最終在論文中呈現出良好的效果。
獲獎當晚，團隊只派了一個代表觀看直播，其他成員都淡定地睡覺去了。北京時間11月19日凌晨3時，當聽到團隊論文的第一個英文單詞“Closing”從評獎委員會主席馬克·帕森斯（Mark Parsons）口中説出時，這名團隊代表立刻確認了心中那個最好的結果——獲獎了！
一位獲獎團隊核心成員發了一條朋友圈：感謝大家的信任和夥伴們的支持，一路上的探索和靈感激發碰撞，過程雖艱辛，但探索未知本身就是幸福。
獲獎並不是研究的終點，算法優化仍在持續。劉鑫向中青報·中青網記者表示，團隊發現算法的優化仍有很大空間，“至少還有兩個數量級以上的優化空間”。
2021年12月02日 03 版