6秒完成超算需要47年的計(jì)算，谷歌再次祭出“量子霸權(quán)”

四年前，谷歌工程師夸耀自己實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”，實(shí)驗(yàn)表明其 53 量子位 Sycamore 量子系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)無法解決或需要很長時(shí)間才能解決的問題。當(dāng)時(shí)，谷歌在量子領(lǐng)域受到了競爭對手的圍攻，IBM等競爭對手表示，所承擔(dān)的工作并不太復(fù)雜，可以通過傳統(tǒng)系統(tǒng)來解決，盡管可能需要更長的時(shí)間。

但量子計(jì)算的承諾——對于能夠解決一系列當(dāng)前不可能的復(fù)雜問題的科學(xué)家和研究人員，以及對于即將進(jìn)入一個(gè)非常有前途和潛在利潤豐厚的增長領(lǐng)域的硬件和軟件供應(yīng)商來說——確保了這項(xiàng)工作將繼續(xù)下去，即使面對批評(píng)和挑戰(zhàn)。

因此，在研究發(fā)表后，谷歌再次宣揚(yáng)量子霸權(quán)，該研究表明下一代 Sycamore 系統(tǒng)（具有 70 個(gè)量子位和比前一代強(qiáng)大 2.41 億倍的量子處理器）可以超越現(xiàn)有的量子處理器。世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行的計(jì)算需要橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的大型 1.68 exaflops“Frontier”系統(tǒng)需要 47 年才能完成。

這是4 月份在 ArXiv 網(wǎng)站上發(fā)表的一篇論文中概述的研究的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，但該論文于本月首次撰寫，谷歌研究人員寫道，“量子計(jì)算機(jī)有望執(zhí)行超出經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的任務(wù)”，并補(bǔ)充道通過該實(shí)驗(yàn)，“我們根據(jù)改進(jìn)的經(jīng)典方法估計(jì)了計(jì)算成本，并證明我們的實(shí)驗(yàn)超出了現(xiàn)有經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力?！?/p>

量子計(jì)算已經(jīng)被談?wù)摿藥资?，但該領(lǐng)域仍有很長的路要走。具有一百萬或更多量子位的全功能、糾錯(cuò)量子系統(tǒng)可能需要十多年的時(shí)間才能啟動(dòng)并運(yùn)行。這還沒有考慮到它面臨的各種其他挑戰(zhàn)，從將系統(tǒng)成本和計(jì)算時(shí)間降低到使其在經(jīng)濟(jì)上值得的水平，到開發(fā)在其上運(yùn)行的軟件，再到找到足夠的技術(shù)人員來構(gòu)建和部署管理他們。

還有關(guān)于如何使用它們的問題，至少在最初是這樣。它們會(huì)是獨(dú)立的系統(tǒng)嗎？在云端運(yùn)行？作為經(jīng)典與量子混合體的一部分，承擔(dān)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)無法承擔(dān)的工作負(fù)載？該行業(yè)還可能必須選擇供應(yīng)商用來創(chuàng)建量子位（驅(qū)動(dòng)量子系統(tǒng)的引擎）的幾種不同模式。

盡管如此，仍有大量工作正在進(jìn)行，其中包括谷歌、IBM、微軟、AWS和英特爾等 IT 巨頭以及眾多規(guī)模較小的公司和初創(chuàng)公司。甚至其他行業(yè)的組織也在這一領(lǐng)域開展工作：金融服務(wù)公司富達(dá)正在其應(yīng)用技術(shù)中心研究量子技術(shù)。雖然像谷歌這樣的結(jié)果是漸進(jìn)的，但它們表明正在取得進(jìn)展，并暗示了工作的進(jìn)展方向。

IBM 和加州大學(xué)伯克利分校上個(gè)月推出的聯(lián)合研究就是一個(gè)例子，該研究表明，即使仍處于實(shí)驗(yàn)階段，量子系統(tǒng)也可以優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。雙方的科學(xué)家在 IBM 的 127 量子位量子“Eagle”處理器上對復(fù)雜的物理模擬工作負(fù)載進(jìn)行了計(jì)算，即使沒有所需的容錯(cuò)量子電路（處理器尚未準(zhǔn)備好）來抑制可能影響的噪聲。量子位——和經(jīng)典系統(tǒng)。

研究人員在研究報(bào)告中寫道：“我們報(bào)告了在嘈雜的 127 量子位處理器上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，并演示了對電路體積的準(zhǔn)確期望值的測量，其規(guī)模超出了暴力經(jīng)典計(jì)算的范圍?！?“我們認(rèn)為，這代表了量子計(jì)算在前容錯(cuò)時(shí)代的實(shí)用性的證據(jù)。”

谷歌研究的目的也與此類似，研究人員撰寫了“加劇的量子經(jīng)典競爭”的文章。

他們寫道：“最近的 RCS（隨機(jī)電路采樣）實(shí)驗(yàn)凸顯了計(jì)算復(fù)雜性和噪聲之間的相互作用，從 2019 年的 53 量子位 Sycamore 量子處理器開始?！?“從那時(shí)起，已經(jīng)報(bào)道了擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸和降低噪聲的類似實(shí)驗(yàn)，而經(jīng)典算法也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展?！?/p>

他們寫道，這項(xiàng)研究旨在解決兩個(gè)主要問題：“實(shí)際上，噪聲量子處理器利用指數(shù)級(jí)大希爾伯特空間的區(qū)域是否存在明確定義的邊界？更重要的是，我們能否建立一個(gè)直接探測這些邊界的實(shí)驗(yàn)可觀察對象？”

研究人員在第二代 Sycamore 系統(tǒng)上進(jìn)行了 RCS 實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)包括 24 個(gè)周期的 70 個(gè)量子位，并確定了他們所說的由噪聲和量子動(dòng)力學(xué)之間的相互作用推動(dòng)的“不同階段”。他們使用所謂的“具有交叉熵基準(zhǔn)的有限尺寸研究 [XEB]”確定了階段的邊界。量子動(dòng)力學(xué)和噪聲之間的相互作用可以導(dǎo)致相位。

谷歌表示，其結(jié)果是一個(gè)量子系統(tǒng)，其性能顯著優(yōu)于世界上第一個(gè)經(jīng)過認(rèn)證的百億億次系統(tǒng) Frontier。該龐大系統(tǒng)基于 Hewlett Packard Enterprise 的 Cray EX235a 系統(tǒng)，并由定制的“Trento”Epyc CPU和“Aldebaran”Instinct MI250X GPU 加速器提供支持。它擁有近 870 萬個(gè)核心，包括 HPE 的 Slingshot-11 互連，并提供 1.194 exaflops 的性能。

根據(jù)谷歌的研究，F(xiàn)rontier 需要 6.18 秒才能運(yùn)行 53 量子位 Sycamore 系統(tǒng)可以立即完成的相同計(jì)算。與 70 量子位的下一代 Sycamore 相比，這個(gè)數(shù)字達(dá)到 47.2 年。研究人員寫道，實(shí)驗(yàn)表明，即使是嘈雜的量子系統(tǒng)，運(yùn)行某些計(jì)算的速度也比最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)要快得多，并提供了“關(guān)于量子動(dòng)力學(xué)如何與噪聲相互作用的直接見解”。“觀察到的相邊界為噪聲量子設(shè)備可以正確利用其計(jì)算能力的 7 種狀態(tài)提供了定量指導(dǎo)?！?/p>

也就是說，目前的量子領(lǐng)域仍然面臨著我們上面提到的一些挑戰(zhàn)。他們寫道：“展望未來，盡管 RCS 迄今為止取得了成功，但為近期噪聲量子處理器尋找實(shí)際應(yīng)用仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！?/p>

這與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與生命科學(xué)計(jì)算副實(shí)驗(yàn)室主任 Rick Stevens 5 月份所說的在談?wù)?HPC 中的任何事情時(shí)都需要耐心的態(tài)度相呼應(yīng)。這包括從澤塔尺度系統(tǒng)到本例中的量子系統(tǒng)的一切。阿貢國家實(shí)驗(yàn)室今年將啟用 HPE 設(shè)計(jì)的另一款百億億次系統(tǒng)“Aurora”，但該系統(tǒng)基于英特爾的“Sapphire Rapids”Xeon SP CPU 和“Ponte Vecchio”Max 系列 GPU。

史蒂文斯在一次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上表示，F(xiàn)rontier 花了十五年的時(shí)間才上線，而 zettascale 和量子系統(tǒng)可能還需要 15 到 20 年的時(shí)間。

HPC的道路是一條漫長而曲折的道路。

“這是一場長期的游戲，”他說。“如果您對明年發(fā)生的事情感興趣，那么 HPC 不適合您。如果您想以十年或二十年的角度思考，HPC 就是您的最佳選擇。。?！，F(xiàn)在還只是早期階段。我們還有很長的路要走，所以我們必須思考，十年后高性能計(jì)算意味著什么？二十年后這意味著什么？”