中國(guó)超算再顯“神威” 打破“量子霸權(quán)”
又一次，中國(guó)超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)站在了國(guó)際計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的最高領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月18日下午，超級(jí)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域國(guó)際最高獎(jiǎng)項(xiàng)——2021年度“戈登·貝爾”獎(jiǎng)的謎底在美國(guó)密蘇里州圣路易斯舉行的全球超級(jí)計(jì)算大會(huì)上揭曉，之江實(shí)驗(yàn)室牽頭的中國(guó)超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，憑借新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)研發(fā)的量子計(jì)算模擬器——“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬”(SWQSIM)獲此殊榮。這是繼2016年、2017年、2020年之后，中國(guó)團(tuán)隊(duì)再次在超級(jí)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域登頂。
“造強(qiáng)用弱”局面開始扭轉(zhuǎn)
在互聯(lián)網(wǎng)上，許多從事超算工作的專業(yè)人士，試著用自己的理解來向公眾簡(jiǎn)單通俗地描述這項(xiàng)工作的重要性。這項(xiàng)研究是沒有“實(shí)體”的，展示出來的只是一個(gè)軟件，所以它很難像火箭發(fā)射或者航天員出艙那樣，很直觀地展現(xiàn)成就。然而在專業(yè)人士看來，它展現(xiàn)了中國(guó)在超算應(yīng)用這個(gè)世界前沿科技領(lǐng)域，攀上了一個(gè)令人矚目的高峰。
中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副所長(zhǎng)、研究員包云崗第一時(shí)間發(fā)文表示祝賀，他說：“超大規(guī)模量子隨機(jī)電路實(shí)時(shí)模擬應(yīng)用的獲獎(jiǎng)，不僅具有科學(xué)上的重大意義，同時(shí)也展示了中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)力”。
中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)量子科學(xué)與工程研究院院長(zhǎng)俞大鵬表示，“該團(tuán)隊(duì)在算法和超算架構(gòu)結(jié)合中取得了重要突破，不僅為超算界，也為量子計(jì)算界帶來巨大貢獻(xiàn)”。
中科院物理所固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主任、研究員范桁認(rèn)為，“世界最大規(guī)模量子隨機(jī)電路模擬，代表了最先進(jìn)的量子計(jì)算模擬水平，為量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)創(chuàng)造了紀(jì)錄”。
“戈登·貝爾”獎(jiǎng)的高峰，曾被美國(guó)和日本牢牢占據(jù)長(zhǎng)達(dá)30年 。這個(gè)設(shè)立于1987年的獎(jiǎng)項(xiàng)，主要頒發(fā)給高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域最杰出的成就，通常會(huì)由當(dāng)年TOP500排行名列前茅的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用獲得，美國(guó)“泰坦”超級(jí)電腦、日本“京”超級(jí)計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件都曾獲得此獎(jiǎng)。
2016年，中國(guó)在“戈登·貝爾”獎(jiǎng)上破冰，隨后又在2017年、2020年獲此殊榮。
2021年，在爭(zhēng)奪“戈登·貝爾”獎(jiǎng)的6個(gè)最后項(xiàng)目里，有一半來自中國(guó)，另一半來自美國(guó)和日本。除獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用外，另外兩項(xiàng)中國(guó)的應(yīng)用分別是“千萬核可擴(kuò)展第一性原理拉曼光譜模擬”和“多架構(gòu)大規(guī)模并行保辛結(jié)構(gòu)電磁全動(dòng)理學(xué)等離子體模擬”。
包云崗表示，連續(xù)獲獎(jiǎng)，意味著中國(guó)以前在超算領(lǐng)域“造強(qiáng)用弱”的局面開始扭轉(zhuǎn)。
打破“量子霸權(quán)”
如果用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言描述，此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目是一長(zhǎng)串的表述——使用新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)量子電路的實(shí)時(shí)模擬。
據(jù)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)首席、之江實(shí)驗(yàn)室智能超算研究中心研究員劉鑫介紹，在這項(xiàng)工作中，研究人員引入了一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，涵蓋了模擬所需的基礎(chǔ)算法、并行算法和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化方法。他們基于新一代神威超級(jí)計(jì)算機(jī)，提出近似最優(yōu)的張量網(wǎng)絡(luò)并行切分和收縮方法及混合精度算法，可高效擴(kuò)展至數(shù)千萬核并行規(guī)模，并提供每秒4.4百億億次的持續(xù)計(jì)算性能，是超算領(lǐng)域全世界目前已知的最高混合精度浮點(diǎn)計(jì)算性能。
“量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代計(jì)算的重要增效途徑，是解決大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算應(yīng)用的重要手段。量子模擬器作為經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算的橋梁，基于經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的模擬，對(duì)下提供量子計(jì)算機(jī)的正確性驗(yàn)證，對(duì)上輔助用戶開展量子算法設(shè)計(jì)，是當(dāng)前帶噪聲的量子計(jì)算機(jī)研發(fā)過程中不可或缺的工具。”劉鑫說。
中國(guó)團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)后，有關(guān)該團(tuán)隊(duì)打破“量子霸權(quán)”神話的消息刷屏。那么，什么是“量子霸權(quán)”？
“量子霸權(quán)”是一個(gè)科學(xué)術(shù)語，與國(guó)際政治無關(guān)。它指的是量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，這個(gè)詞由美國(guó)物理學(xué)家約翰·裴士基(John Preskill)在2012年提出。由于“霸權(quán)”這個(gè)詞讓許多人觀感不適，現(xiàn)在科學(xué)家更愿意把它稱為“量子優(yōu)越性”。
2019年10月，谷歌在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表一篇文章，宣稱其率先實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”：谷歌公司研發(fā)的“懸鈴木”量子計(jì)算原型機(jī)，可以在200秒內(nèi)完成百萬量子采樣，而美國(guó)最快的“頂點(diǎn)”超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一萬年才能模擬完成——時(shí)間上的差異高達(dá)10億倍。
這一次，中國(guó)超算應(yīng)用團(tuán)隊(duì)證明，谷歌公司2019年演示的隨機(jī)量子電路采樣任務(wù)，基于新一代神威超算也可以在短時(shí)間內(nèi)完成，打破了谷歌的“量子霸權(quán)”。
具體來看，中國(guó)的量子模擬器SWQSIM可以在304秒以內(nèi)，得到百萬更高保真度的關(guān)聯(lián)樣本，在一星期內(nèi)得到同樣數(shù)量的無關(guān)聯(lián)樣本。該軟件還可在60小時(shí)內(nèi)完成比“懸鈴木”復(fù)雜1000多倍的量子電路模擬，實(shí)現(xiàn)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(jì)算的發(fā)展提供模擬支撐。
劉鑫介紹，最開始，研究團(tuán)隊(duì)想用全振幅模擬的方法來設(shè)計(jì)模擬器，但這對(duì)內(nèi)存的需求太大了，后來他們將設(shè)計(jì)思路調(diào)整為基于張量網(wǎng)絡(luò)收縮方法的單振幅模擬，即犧牲一部分時(shí)間復(fù)雜度，找到一條空間復(fù)雜度可以接受的近似最優(yōu)路徑。開始的性能結(jié)果并不理想，后來團(tuán)隊(duì)通過改進(jìn)方法，計(jì)算速度提升了100多倍。
這個(gè)高平衡度的最優(yōu)解法，曾讓團(tuán)隊(duì)困擾了很久，連續(xù)組織了3次算法攻關(guān)。劉鑫記得，在每周舉行的例會(huì)上，大家曾激烈地討論甚至爭(zhēng)論，都覺得自己是對(duì)的。最后，一位團(tuán)隊(duì)成員的提議讓大家覺得眼前一亮，于是按照這個(gè)方向去實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，最后獲得了理想的結(jié)果。
獲獎(jiǎng)的喜訊傳來后，團(tuán)隊(duì)成員吃了一頓豐盛的晚餐，慶祝之余，每個(gè)人都表達(dá)了從事這個(gè)工作以來的收獲和體會(huì)，長(zhǎng)達(dá)3小時(shí)的聚餐，大家回憶了研發(fā)過程中的種種故事，包括那些“吵到誰也不想理誰”的學(xué)術(shù)交鋒?，F(xiàn)在，大家都可以會(huì)心一笑，輕松放下。
探索未知本身就是幸福
11月15日，中國(guó)獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)參加了著名量子信息科學(xué)家、美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校計(jì)算機(jī)科學(xué)教授斯科特·阿倫森(Scott Aaronson)的特邀組會(huì)，并作了報(bào)告，后者表示，“這是一項(xiàng)非常有意思的工作，非常愿意看到經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算的融合發(fā)展”。
這項(xiàng)工作所有的研究開始于2020年新冠肺炎疫情時(shí)期，當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)里絕大部分人“還從未做過量子計(jì)算”，最初的工作從調(diào)研國(guó)際相關(guān)研究開始。
論文共同通信作者、清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系教授、國(guó)家超級(jí)計(jì)算無錫中心副主任付昊桓介紹，在傳統(tǒng)超算上實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)復(fù)雜度極高的問題，觸發(fā)了團(tuán)隊(duì)在算法、并行方法、優(yōu)化方法等各個(gè)方面的創(chuàng)新。
“當(dāng)然，我們更看重的，是真正建立了最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)和最先進(jìn)的超算之間的橋梁，讓它們可以相互促進(jìn)、相互協(xié)同、相互融合。”付昊桓說。
2021年7月初，團(tuán)隊(duì)的研究成果被國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通知入圍“戈登·貝爾”獎(jiǎng)后，團(tuán)隊(duì)決定對(duì)計(jì)算性能做進(jìn)一步優(yōu)化，主要針對(duì)谷歌“量子霸權(quán)”隨機(jī)電路的模擬算法進(jìn)行優(yōu)化提升。付昊桓說，團(tuán)隊(duì)成員每天進(jìn)行幾次討論碰撞，靈感在流動(dòng)，思路在涌現(xiàn)，每一天的進(jìn)展迅速，歷經(jīng)三周高強(qiáng)度聯(lián)合攻關(guān)，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，并最終在論文中呈現(xiàn)出良好的效果。
獲獎(jiǎng)當(dāng)晚，團(tuán)隊(duì)只派了一個(gè)代表觀看直播，其他成員都淡定地睡覺去了。北京時(shí)間11月19日凌晨3時(shí)，當(dāng)聽到團(tuán)隊(duì)論文的第一個(gè)英文單詞“Closing”從評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)主席馬克·帕森斯(Mark Parsons)口中說出時(shí)，這名團(tuán)隊(duì)代表立刻確認(rèn)了心中那個(gè)最好的結(jié)果——獲獎(jiǎng)了！
一位獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)核心成員發(fā)了一條朋友圈：感謝大家的信任和伙伴們的支持，一路上的探索和靈感激發(fā)碰撞，過程雖艱辛，但探索未知本身就是幸福。
獲獎(jiǎng)并不是研究的終點(diǎn)，算法優(yōu)化仍在持續(xù)。劉鑫向中青報(bào)·中青網(wǎng)記者表示，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)算法的優(yōu)化仍有很大空間，“至少還有兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的優(yōu)化空間”。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 蔣雨彤 來源：中國(guó)青年報(bào)
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