超级计算机与量子计算机扳手腕，量子霸权是真是假

量子计算机的概念大家应该都不陌生了，一台兼具经典计算与量子计算能力的高性能机器。虽说如此，量子计算机的发展仍处于起步阶段，量子硬件不仅制造成本高昂，维护成本也不容小觑，现有的量子计算机基本位于全球顶级的大学或研究实验室内，比如中科院的九章二号、祖冲之二号等。虽然各国都在积极推进量子计算机的开发，但这些系统的公开可用性有限，并不比超算优秀。
 
资源和成本的限制下，真正的量子硬件离大众化还远得很。然而，在经典计算机上模拟量子算法仍被视为一项重要而有用的工作，量子模拟器的出现让经典电脑也能体验量子计算的魅力。量子模拟器是运行在经典电脑系统上的软件，使其得以运行并测试量子程序。但随着量子比特数的增加，模拟量子硬件所需要的资源也会呈指数级增长。
 
ARM在量子计算上的又一大成就
 
相信对超级计算机有过了解的读者应该都知道，目前市面排名第一的超级计算机是来自日本富士通的富岳。富岳基于ARM的A64FX CPU打造，自面世以来已经四次位居榜首，靠的正是A64FX的高性能和扩展性。但富岳并非量子计算机，在特定的计算项目上可以说又比量子计算机慢上不少。
 

PRIMENHPC FX 700 / 富士通

 
今年3月底，富士通宣布成功开发出世界上最快的36量子位量子模拟器，该模拟器可在富士通的PRIMENHPC FX 700集群系统上处理36量子位的量子电路，而这套系统的核心正是与富岳相同的A64FX CPU。要知道，PRIMENHPC FX 700远不是富士通最快的超算系统，而且搭载了A64FX核心还是低频版，其上还有富岳和PRIMENHPC FX 1000。富岳创造者之一，日本理化学研究所松冈聪对此新闻补充表示，富岳拥有16万个A64FX节点，在这一量子模拟器的支持下，将成为当下世界上规模最大最快的量子计算机模拟平台。
 
那么对于富士通来说，开发出来是一回事，该如何充分利用这一量子模拟器呢？富士通首先选择与富士胶片展开化学领域的合作。从今年4月起，两者将会基于这一突破来展开分子化学反应等应用上的量子计算算法研究与评估，以求在材料设计上获得新的突破。不仅如此，36量子位还不是这一模拟器的极限，富士通计划在今年9月之前开发出40量子位的模拟器，并计划将应用领域扩展到金融与制药上。
 
量子霸权并不存在
 
谷歌在2019年发布的54量子比特处理器Sycamore时，宣称实现了所谓的“量子霸权”。该处理器由快速、高保真的量子逻辑门。发布该量子处理器之际，谷歌还不忘了“带节奏”，称在随机量子电路的基准测试中，Sycamore处理器只需200秒的时间，而当时最快的超级计算机，也就是IBM的Summit，需要1万年时间才能得出类似的结果。
 

Sycamore处理器 / 谷歌

 
虽然IBM随后利用硬盘二级存储将这个时间进一步缩短到了2.55天，以此来反驳谷歌的“暴论”，但两者之间的差距依然过于明显。后续也有一系列试图推翻量子霸权的验证，比如阿里巴巴达摩院量子实验室利用与Summit规模相近的计算节点将时间做到了19.3天，中科院的研究人员也曾利用48块英伟达V100和12块A100 GPU将计算时间缩短至5天。但这些结果仍然无法与谷歌的量子处理器相比，这使得部分人认为，在特定的运算上，量子计算机肯定会完全淘汰当前的超级计算机。
 

SW26010P CPU的通用架构 / 申威

 
去年的SC21超算大会上，之江实验室、国家超算无锡中心等单位的研究人员联合开发的SWQSIM量子模拟器获得了国际计算机协会颁发的戈登贝尔奖。在基于全新的SW26010P CPU的新一代神威超级计算机上，该量子模拟器进行模拟随机量子电路采样任务，将时间缩短至了304秒。而且研究人员认为这个速度还有优化空间，如果通过代码定制让神威超算生成更加平衡的张量，速度可以再度提升4到5倍。。
 
结语
 
诚然量子计算机这几年来进展不小，但要说淘汰掉超级计算机实现“量子霸权”还为时尚早。当下不少量子计算公司和云服务厂商也都在同时发展量子计算机、量子模拟器和软件框架，比如Xanadu的Pennnylane、IBM的Qiskit、微软的Azure Quantum、亚马逊的Braket以及阿里巴巴的太章2.0等。将量子计算机做到经典计算机那般普及目前看来还是痴人说梦，但量子计算机上云很可能是普及量子计算应用的重要一步。