中國團隊獲超算界諾獎打破穀歌懸鈴木“量子霸權”

美國時間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”的謎底在密蘇裏州聖路易斯舉行的全球超級計算大會（SC21）上揭曉，中國超算應用團隊憑借Closing the Quantum Supremacy Gap:Achieving Read-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway Supercomputer（簡稱SWQSIM，“超大規模量子隨機電路實時模擬”）成果獲此殊榮。

“戈登貝爾獎”設立於1987年，是國際上高性能計算應用領域的最高學術獎項，被稱為“超算領域的諾貝爾獎”。在2016年之前，美國、日本曾壟斷該獎項長達近30年。

獲獎項目揭曉。本文圖片均為清華大學供圖
打破穀歌懸鈴木“量子霸權”

“量子霸權”是一個術語，表示量子計算設備在某些應用場景中，可以表現出傳統計算機無法企及的性能優勢。比如穀歌公司2019年所研發的懸鈴木係統，在200秒內完成的百萬量子采樣（保真度0.2%），美國最快的頂點超級計算機需要一萬年才能模擬完成。中國超算團隊的這項最新研究，實現了近實時的量子模擬，證明了穀歌公司2019年演示的隨機量子線路采樣任務並不能真正實現“量子霸權”。

研究團隊基於新一代神威超級計算機，研發了量子計算模擬器SWQSIM，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。與“懸鈴木”200秒完成0.2%保真度的百萬采樣任務相比較，SWQSIM可在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，還可以在60小時內完成比“懸鈴木”更加複雜的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了堅實的模擬支撐。

懸鈴木量子計算機采樣任務的張量網絡表達

基於經典計算機的模擬驗證是當前帶噪聲的量子計算機研發過程中不可或缺的工具。目前的複雜量子電路，保真度還比較低。以穀歌的懸鈴木係統為例，一百萬個樣本中，僅能保證兩千個左右的有效樣本。像SWQSIM這樣，具備近實時的模擬能力的量子電路模擬器，也能夠為量子計算機未來的發展提供強大助力。

清華超算團隊三次獲獎

此次獲獎團隊由來自之江實驗室及國家超級計算無錫中心的劉勇、劉鑫、李芳、楊雨靈、宋佳偉、趙朋朋、王臻、彭達佳、陳華蓉，清華大學及國家超級計算無錫中心的付昊桓、陳德訓，國家超級計算無錫中心的吳汶釗，上海量子科學研究中心的黃合良、郭楚等14名成員組成。其中，劉鑫、付昊桓、郭楚、陳德訓為共同通信作者。

作為核心成員之一，這是清華超算團隊第三次獲得該獎。

此前的2016年及2017年，清華超算團隊參與的大氣動力方程求解器以及領銜的非線性地震模擬工作，因高效實現了模型的大規模並行擴展，並大幅提升了時空分辨率和關鍵現象刻畫能力，實現了中國近30年來在這個獎項上零的突破和蟬聯。

澎湃新聞從清華大學了解到，一批青年研究者正從這樣的研究項目中成長起來。在中國超算應用團隊2016年首次獲得“戈登·貝爾”獎時，甘霖作為該成果的共同通信作者之一，當時還是清華大學計算機係的一名博士生。在選擇就業的關鍵時期，他毅然決定留在“神威·太湖之光”應用團隊，為國產超級計算機打造屬於自己的應用。畢業後，他繼續致力於麵向國產超級計算機的地學應用軟件方向的研究，獲得了清華浪潮計算地球科學青年人才獎、全國青年崗位能手標兵等一係列榮譽，並且成為國內首位獲得IEEE高性能專委會傑出新人獎的青年學者。

作為今年獲獎團隊成員之一的吳汶釗，曾是清華大學地學係的一名碩士研究生，畢業後到國家超級計算無錫中心工作，自2020年開始負責神威平台深度學習框架的開發工作。“在地學係學習期間，係裏一直鼓勵學科交叉，讓我可以將所學知識不斷嚐試運用至新的領域中。”吳汶釗說。