量子計算機的概念大家應該都不陌生了，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，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等應用上的量子計算算法研究與評估，以求在材料設計上獲得新的突破。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，并計劃將應用領域擴展到金融與制藥上。

量子霸權并不存在

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”。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 / 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，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”還為時尚早。當下不少量子計算公司和云服務廠商也都在同時發(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用的重要一步。