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 白龙江 发表于: 2021-12-3 00:33:39|显示全部楼层|阅读模式

[2021年] 中国超算再显“神威” 打破“量子霸权”

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源自:中国青年报
原文标题:中国超算再显“神威”打破“量子霸权”

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中国团队获超算界诺奖“戈登·贝尔”奖(图表)。视觉中国供图
  又一次,中国超算应用团队站在了国际计算应用领域的最高领奖台。
  当地时间11月18日下午,超级计算应用领域国际最高奖项──2021年度“戈登·贝尔”奖的谜底在美国密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会上揭晓,之江实验室牵头的中国超算应用团队,凭借新一代神威超级计算机研发的量子计算模拟器──“超大规模量子随机电路实时模拟”(SWQSIM)获此殊荣。这是继2016年、2017年、2020年之后,中国团队再次在超级计算应用领域登顶。
  “造强用弱”局面开始扭转
  在互联网上,许多从事超算工作的专业人士,试着用自己的理解来向公众简单通俗地描述这项工作的重要性。这项研究是没有“实体”的,展示出来的只是一个软件,所以它很难像火箭发射或者航天员出舱那样,很直观地展现成就。然而在专业人士看来,它展现了中国在超算应用这个世界前沿科技领域,攀上了一个令人瞩目的高峰。
  中国科学院计算技术研究所副所长、研究员包云岗第一时间发文表示祝贺,他说:“超大规模量子随机电路实时模拟应用的获奖,不仅具有科学上的重大意义,同时也展示了中国超级计算机的实力”。
  中国科学院院士、南方科技大学量子科学与工程研究院院长俞大鹏表示,“该团队在算法和超算架构结合中取得了重要突破,不仅为超算界,也为量子计算界带来巨大贡献”。
  中科院物理所固态量子信息与计算实验室主任、研究员范桁认为,“世界最大规模量子随机电路模拟,代表了最先进的量子计算模拟水平,为量子计算机和经典计算机创造了纪录”。
  “戈登·贝尔”奖的高峰,曾被美国和日本牢牢占据长达30年。这个设立于1987年的奖项,主要颁发给高性能计算应用领域最杰出的成就,通常会由当年TOP500排行名列前茅的计算机系统应用获得,美国“泰坦”超级电脑、日本“京”超级计算机上的应用软件都曾获得此奖。
  2016年,中国在“戈登·贝尔”奖上破冰,随后又在2017年、2020年获此殊荣。
  2021年,在争夺“戈登·贝尔”奖的6个最后项目里,有一半来自中国,另一半来自美国和日本。除获奖团队应用外,另外两项中国的应用分别是“千万核可扩展第一性原理拉曼光谱模拟”和“多架构大规模并行保辛结构电磁全动理学等离子体模拟”。
  包云岗表示,连续获奖,意味着中国以前在超算领域“造强用弱”的局面开始扭转。
  打破“量子霸权”
  如果用严谨的语言描述,此次获奖项目是一长串的表述──使用新一代神威超级计算机,实现随机量子电路的实时模拟。
  据获奖团队首席、之江实验室智能超算研究中心研究员刘鑫介绍,在这项工作中,研究人员引入了一个系统的设计过程,涵盖了模拟所需的基础算法、并行算法和系统级优化方法。他们基于新一代神威超级计算机,提出近似最优的张量网络并行切分和收缩方法及混合精度算法,可高效扩展至数千万核并行规模,并提供每秒4.4百亿亿次的持续计算性能,是超算领域全世界目前已知的最高混合精度浮点计算性能。
  “量子计算是后摩尔时代计算的重要增效途径,是解决大规模科学计算应用的重要手段。量子模拟器作为经典计算和量子计算的桥梁,基于经典计算机实现量子计算的模拟,对下提供量子计算机的正确性验证,对上辅助用户开展量子算法设计,是当前带噪声的量子计算机研发过程中不可或缺的工具。”刘鑫说。
  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(JohnPreskill)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(ScottAaronson)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。
  获奖当晚,团队只派了一个代表观看直播,其他成员都淡定地睡觉去了。北京时间11月19日凌晨3时,当听到团队论文的第一个英文单词“Closing”从评奖委员会主席马克·帕森斯(MarkParsons)口中说出时,这名团队代表立刻确认了心中那个最好的结果──获奖了!
  一位获奖团队核心成员发了一条朋友圈:感谢大家的信任和伙伴们的支持,一路上的探索和灵感激发碰撞,过程虽艰辛,但探索未知本身就是幸福。
  获奖并不是研究的终点,算法优化仍在持续。刘鑫向中青报·中青网记者表示,团队发现算法的优化仍有很大空间,“至少还有两个数量级以上的优化空间”。
  中青报·中青网记者 蒋雨彤
源自:中国青年报

   2021年12月02日 03 版
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