量子|中国超算再显“神威” 打破“量子霸权”( 二 )

中国团队获奖后，有关该团队打破“量子霸权”神话的消息刷屏。那么，什么是“量子霸权”？
“量子霸权”是一个科学术语，与国际政治无关。它指的是量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机，这个词由美国物理学家约翰·裴士基（John Preskill）在2012年提出。由于“霸权”这个词让许多人观感不适，现在科学家更愿意把它称为“量子优越性” 。
2019年10月，谷歌在国际学术期刊《自然》上发表一篇文章，宣称其率先实现了“量子霸权”：谷歌公司研发的“悬铃木”量子计算原型机，可以在200秒内完成百万量子采样，而美国最快的“顶点”超级计算机需要一万年才能模拟完成——时间上的差异高达10亿倍。
这一次，中国超算应用团队证明，谷歌公司2019年演示的随机量子电路采样任务，基于新一代神威超算也可以在短时间内完成，打破了谷歌的“量子霸权” 。
具体来看，中国的量子模拟器SWQSIM可以在304秒以内，得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本。该软件还可在60小时内完成比“悬铃木”复杂1000多倍的量子电路模拟，实现100-400比特量子电路算法的单振幅和多振幅模拟，为未来量子计算的发展提供模拟支撑。
刘鑫介绍，最开始，研究团队想用全振幅模拟的方法来设计模拟器，但这对内存的需求太大了，后来他们将设计思路调整为基于张量网络收缩方法的单振幅模拟，即牺牲一部分时间复杂度，找到一条空间复杂度可以接受的近似最优路径。开始的性能结果并不理想，后来团队通过改进方法，计算速度提升了100多倍。
这个高平衡度的最优解法，曾让团队困扰了很久，连续组织了3次算法攻关。刘鑫记得，在每周举行的例会上，大家曾激烈地讨论甚至争论，都觉得自己是对的。最后，一位团队成员的提议让大家觉得眼前一亮，于是按照这个方向去实验和改进，最后获得了理想的结果。
获奖的喜讯传来后，团队成员吃了一顿丰盛的晚餐，庆祝之余，每个人都表达了从事这个工作以来的收获和体会，长达3小时的聚餐，大家回忆了研发过程中的种种故事，包括那些“吵到谁也不想理谁”的学术交锋。现在，大家都可以会心一笑，轻松放下。
探索未知本身就是幸福
11月15日，中国获奖团队参加了著名量子信息科学家、美国得克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学教授斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）的特邀组会，并作了报告，后者表示， “这是一项非常有意思的工作，非常愿意看到经典计算和量子计算的融合发展” 。
这项工作所有的研究开始于2020年新冠肺炎疫情时期，当时团队里绝大部分人“还从未做过量子计算” ，最初的工作从调研国际相关研究开始。
论文共同通信作者、清华大学地球系统科学系教授、国家超级计算无锡中心副主任付昊桓介绍，在传统超算上实现这样一个复杂度极高的问题，触发了团队在算法、并行方法、优化方法等各个方面的创新。
“当然，我们更看重的，是真正建立了最先进的量子计算机和最先进的超算之间的桥梁，让它们可以相互促进、相互协同、相互融合。 ”付昊桓说。
2021年7月初，团队的研究成果被国际计算机学会通知入围“戈登·贝尔”奖后，团队决定对计算性能做进一步优化，主要针对谷歌“量子霸权”随机电路的模拟算法进行优化提升。付昊桓说，团队成员每天进行几次讨论碰撞，灵感在流动，思路在涌现，每一天的进展迅速，历经三周高强度联合攻关，达到预期的目标，并最终在论文中呈现出良好的效果。