戴爾在量子計(jì)算領(lǐng)域創(chuàng)新與實(shí)踐并行

遇事不決，量子力學(xué)；腦洞不夠，平行宇宙。相信你一定刷到過“量子力學(xué)”的梗，這種看似很遙遠(yuǎn)的科技常常被人認(rèn)為是一種故弄玄虛的騙人手段，例如：量子針灸、量子閱讀、量子襪子等等，“量子+生活”產(chǎn)品幾乎都是為了營(yíng)銷而做出的噱頭。

不過也不必抱有有偏見，真正的量子技術(shù)，往往是推動(dòng)人類科技進(jìn)步的重要手段，例如芯片技術(shù)和超導(dǎo)材料，這些已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的量子技術(shù)為各科研領(lǐng)域帶來了顛覆性的跨越。

戴爾科技集團(tuán)在量子計(jì)算領(lǐng)域有哪些創(chuàng)新與實(shí)踐？歡迎關(guān)注分享。

賈真博士

戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室

中國研究院總監(jiān)

目前量子科技的研究，主要還集中在量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域，一旦實(shí)現(xiàn)技術(shù)性突破，將會(huì)極大的推動(dòng)人類科技的進(jìn)步，這其中，量子計(jì)算（Quantum Computing）作為一項(xiàng)顛覆性的新興技術(shù)，正在得到科技界的廣泛關(guān)注。

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，即利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構(gòu)成的量子比特為基本單元，通過量子態(tài)的受控演化實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理。量子計(jì)算最主要的價(jià)值可以歸納為兩點(diǎn)：提升算力+降低能耗。

●提升算力：量子計(jì)算的核心優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)高速并行計(jì)算。量子的并行性決定了其可以同時(shí)對(duì)2n個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2n次操作。當(dāng)量子比特?cái)?shù)量越大時(shí)，這種運(yùn)算速度的優(yōu)勢(shì)將越明顯。經(jīng)典計(jì)算機(jī)在它面前就像是手打的算盤一樣。

●降低能耗：量子計(jì)算的另一核心優(yōu)勢(shì)是低能耗。量子計(jì)算中，輸入多少組數(shù)據(jù)，輸出依舊是多少組數(shù)據(jù)，計(jì)算過程中數(shù)據(jù)量沒有改變，因此計(jì)算過程沒有能耗。這也就意味著，只有在最后測(cè)量的時(shí)候產(chǎn)生了能耗。

戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官（CTO）John Roese認(rèn)為：

“

首先，量子計(jì)算不是一個(gè)新概念。這里沒有黑科技，這些都是我們?cè)谖锢韺W(xué)層面解開宇宙奧秘的東西，我們發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)和圍繞它存在的技術(shù)其實(shí)是非常有用的。量子環(huán)境中存在某些特性，具體來說就是當(dāng)你把一塊物質(zhì)激發(fā)到一定程度的時(shí)候，它的行為方式是不尋常的，它可以同時(shí)存在于很多狀態(tài)，而不是像在二進(jìn)制世界里，它是一個(gè)1或一個(gè)0。

”

“量子技術(shù)是非常真實(shí)的存在，它在物理世界中是有真實(shí)基礎(chǔ)的。但是到目前為止，業(yè)界還沒有開發(fā)出大規(guī)模的量子系統(tǒng)?！贝鳡柨萍技瘓F(tuán)首席技術(shù)官（CTO）John Roese同時(shí)預(yù)測(cè)，“可能還要三到五年的時(shí)間，我們才能真正看到有用的量子計(jì)算，而真正產(chǎn)生廣泛的行業(yè)顛覆恐怕要在十年之后。”

今天我們已經(jīng)看到量子計(jì)算在某些領(lǐng)域展現(xiàn)出其自身巨大的能量，比如量子計(jì)算的編碼學(xué)和密鑰管理，將對(duì)密碼學(xué)產(chǎn)生重要影響。不過在John Roese眼中，量子計(jì)算并不是對(duì)現(xiàn)有計(jì)算模式的顛覆，而是一種積極有效的補(bǔ)充。

量子計(jì)算的特長(zhǎng)在于某些復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)計(jì)算，這是因?yàn)樗捎昧送耆煌倪\(yùn)行范式。“量子計(jì)算并不是一種替代，而是一種補(bǔ)充和加速?！盝ohn Roese重申，“我們必須做三件事才能使量子計(jì)算更加可行。第一，我們要定義和架構(gòu)一個(gè)可行的量子計(jì)算系統(tǒng)。第二，必須確保構(gòu)建的任何架構(gòu)都能存在于現(xiàn)實(shí)世界中。第三，如何對(duì)這些東西進(jìn)行編程，因?yàn)樗雌饋硪稽c(diǎn)也不像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)?！?/p>

量子計(jì)算時(shí)代的信息安全也許是一個(gè)永恒的話題，但是在2021年到2022年間，與量子計(jì)算相關(guān)的最大熱點(diǎn)卻另有所在。事實(shí)上，在公有云，以及一些企業(yè)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)中心私有云環(huán)境中，量子系統(tǒng)的開發(fā)者正熱衷于學(xué)習(xí)如何在量子環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的模擬，以及在模擬系統(tǒng)中如何進(jìn)行量子計(jì)算仿真。

對(duì)于量子計(jì)算來說，目前人們關(guān)心的關(guān)鍵問題不在于是否會(huì)馬上有成熟可靠的量子計(jì)算機(jī)，而是開發(fā)者將如何獲得量子計(jì)算的早期測(cè)試系統(tǒng)，或是量子計(jì)算模擬器。這樣一來，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)時(shí)代真正到來時(shí)，開發(fā)者就可以憑借已經(jīng)掌握的相關(guān)技能，快速進(jìn)行編程以及應(yīng)用開發(fā)。

作為全球領(lǐng)先的IT基礎(chǔ)架構(gòu)公司，戴爾科技集團(tuán)也積極布局量子計(jì)算，保持領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推出了混合量子仿真平臺(tái)以及量子與經(jīng)典計(jì)算的混合系統(tǒng)。

戴爾科技集團(tuán)

“混合”量子仿真平臺(tái)

戴爾科技集團(tuán)在2021年9月發(fā)布了由其首席技術(shù)官辦公室研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的用于運(yùn)行“混合”量子算法的仿真平臺(tái)，該平臺(tái)提供了在經(jīng)典計(jì)算硬件上運(yùn)行量子算法的快捷方式。

仿真平臺(tái)所基于的戴爾科技PowerEdge R740xd服務(wù)器擁有兩個(gè)來自英特爾第二代至強(qiáng)可擴(kuò)展芯片系列的中央處理器，同時(shí)配備多達(dá) 24 個(gè)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高速NVMe閃存驅(qū)動(dòng)器，而部分信息也可保存在英特爾的 Optane DC 持久性內(nèi)存（Persistent Memory）上。

戴爾科技混合經(jīng)典/量子仿真平臺(tái)架構(gòu)圖

戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室將其開發(fā)的平臺(tái)稱之為混合仿真平臺(tái)而不是模擬器，其區(qū)別與量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建方式有關(guān)。大多數(shù)量子系統(tǒng)不僅具有量子線路，還具有一個(gè)或多個(gè)經(jīng)典處理器（例如 CPU），可幫助運(yùn)行算法。模擬器通常只是復(fù)制系統(tǒng)的量子線路。

相比之下，像戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室開發(fā)的全新仿真平臺(tái)，提供了一個(gè)更真實(shí)的開發(fā)環(huán)境，可以重新創(chuàng)建量子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算元素以及經(jīng)典計(jì)算元素。戴爾科技集團(tuán)的混合仿真平臺(tái)允許用戶在自己的經(jīng)典計(jì)算資源上使用 Qiskit Runtime，無論是新用戶還是成熟的量子開發(fā)人員都能更容易、更高效地構(gòu)建和完善他們的算法。通過戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室研究團(tuán)隊(duì)的開發(fā)測(cè)試，該混合仿真平臺(tái)的主要優(yōu)勢(shì)包括：

●快速設(shè)置：該平臺(tái)在云原生平臺(tái)（如Kubernetes）上執(zhí)行經(jīng)典和量子計(jì)算。用戶可以輕松地部署到內(nèi)部（on-premise）基礎(chǔ)架構(gòu)。以前，用戶必須通過云提交數(shù)據(jù)和工作負(fù)載進(jìn)行處理。

●更快的結(jié)果時(shí)間：每個(gè)量子電路不再需要單獨(dú)執(zhí)行和排隊(duì)等待。算法的經(jīng)典組件與量子資源緊密集成，提高了性能，縮短了開發(fā)時(shí)間。

●更高的安全性：經(jīng)典計(jì)算，包括數(shù)據(jù)處理、優(yōu)化和算法執(zhí)行，可以在本地執(zhí)行，提供更高的隱私和安全性，因此數(shù)據(jù)和工作負(fù)載不需要提交給第三方。

●成本效率和選擇：通過企業(yè)內(nèi)部部署的基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，可以提供比傳統(tǒng)云服務(wù)提供商更高的成本效率和效益。此外，該仿真平臺(tái)在選擇量子解決方案時(shí)提供了靈活性，因?yàn)樗部梢允褂肣iskit Aer模擬器或其他類似解決方案運(yùn)行。

戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室表示，其混合仿真平臺(tái)允許用戶運(yùn)行量子代碼序列或研究人員所熟知的量子線路，比使用其他方法時(shí)延遲更少，在同一環(huán)境中模擬量子線路和經(jīng)典電路的能力進(jìn)一步提高了效率。

戴爾科技集團(tuán)

混合經(jīng)典-量子平臺(tái)

戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室在2021年11月也宣布與量子計(jì)算公司IonQ共同開發(fā)測(cè)試了一個(gè)混合-經(jīng)典量子平臺(tái)，該平臺(tái)能夠更好地實(shí)現(xiàn)混合經(jīng)典-量子解決方案。

混合量子-經(jīng)典平臺(tái)是一種結(jié)合了量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)的方法。戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室預(yù)計(jì)此類混合平臺(tái)將為量子計(jì)算最先落地的應(yīng)用，例如為機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化、量子化學(xué)還有其他需要大規(guī)模計(jì)算的用例，提供強(qiáng)勁計(jì)算動(dòng)力支持。這反過來又使發(fā)現(xiàn)量子用例、提高現(xiàn)有團(tuán)隊(duì)成員技能以滿足未來量子計(jì)算需求，以及為客戶開發(fā)更完整量子解決方案的低成本高效益方法成為可能。

通過該平臺(tái)，經(jīng)典和量子模擬工作負(fù)載可以在本地執(zhí)行，而量子工作負(fù)載，例如為藥理學(xué)開發(fā)建立更大、更復(fù)雜的分子模型，或者復(fù)雜的大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，可以在IonQ的QPU上遠(yuǎn)程加速執(zhí)行。

戴爾科技集團(tuán)在經(jīng)典基礎(chǔ)架構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)與IonQ的相干時(shí)間、門保真度和規(guī)模相結(jié)合，使QPU能夠解決更復(fù)雜的計(jì)算問題，允許更好地糾錯(cuò)以減少使用QPU解決問題所花費(fèi)的時(shí)間，也可使IonQ在室溫下運(yùn)行其QPU，支持在已建立的數(shù)據(jù)中心放置，而無需外部冷卻。這些特定的IonQ優(yōu)勢(shì)助力客戶能夠快速評(píng)估選擇什么方法能夠最適合他們的量子計(jì)算旅程。

通過戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室研究團(tuán)隊(duì)的開發(fā)測(cè)試，該混合-經(jīng)典量子平臺(tái)的主要優(yōu)勢(shì)包括：

●戴爾科技集團(tuán)的混合經(jīng)典-量子平臺(tái)與IonQ的量子模擬和量子處理單元無縫集成。量子工作負(fù)載可以通過在戴爾科技集團(tuán)基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行的虛擬量子處理單元（vQPU）開發(fā)，之后可以無縫遷移到IonQ的遠(yuǎn)程QPU（量子處理單元）上，減少額外工作量。

●通過IonQ的預(yù)留API，每個(gè)從戴爾混合-經(jīng)典量子平臺(tái)執(zhí)行的量子電路都不需要在作業(yè)隊(duì)列中等待，可以直接注入IonQ的遠(yuǎn)程QPU。這一功能極大地提高了性能，以利用真正的QPU硬件。

●通過內(nèi)部基礎(chǔ)架構(gòu)（on-prem）解決方案可以提高成本效率并保護(hù)數(shù)據(jù)隱私。因此，企業(yè)組織也可以更高效地培訓(xùn)量子程序員，并更快地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)關(guān)鍵用例。

由以上的介紹可以看到，雖然目前戴爾科技集團(tuán)不直接開發(fā)量子計(jì)算平臺(tái)，但我們與其他業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的量子計(jì)算創(chuàng)新企業(yè)合作，推進(jìn)混合經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算結(jié)合的新策略，協(xié)助我們的開發(fā)人員更快地進(jìn)行量子仿真以及高效使用量子計(jì)算資源。

戴爾科技集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室推進(jìn)的前沿研究也證明了端到端混合經(jīng)典量子解決方案的能力。隨著量子硬件、算法和軟件的不斷發(fā)展，對(duì)經(jīng)典信息系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的需求將相應(yīng)地加速和擴(kuò)展。這只是混合量子經(jīng)典基礎(chǔ)架構(gòu)的開始，未來也充滿了無限的可能性。戴爾科技集團(tuán)將更加積極擁抱蓬勃發(fā)展的量子計(jì)算生態(tài)。