QPU與GPU，經(jīng)典超算和量子計(jì)算的協(xié)同

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不久前在國(guó)際超算大會(huì)ISC上， NVIDIA宣布將通過(guò)開(kāi)源的 NVIDIA CUDA-Q量子計(jì)算平臺(tái)，助力全球各地的國(guó)家級(jí)超算中心加快量子計(jì)算的研究發(fā)展。雖然量子計(jì)算離真正應(yīng)用起來(lái)還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，但量子計(jì)算方面的推進(jìn)一刻也沒(méi)有停下，國(guó)內(nèi)外不少企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都在推進(jìn)量子計(jì)算方面的研究。

量子計(jì)算QPU

ISC上，Nvidia表示正在加速量子計(jì)算研究，會(huì)將CUDA-Q量子計(jì)算平臺(tái)連接到德國(guó)、日本和波蘭的超級(jí)計(jì)算機(jī)站點(diǎn)，為其高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的量子處理單元（QPU）提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

QPU量子處理單元是量子計(jì)算機(jī)的核心，它能夠利用電子或光子等粒子的行為來(lái)進(jìn)行特定類型的計(jì)算，其速度遠(yuǎn)快于當(dāng)今計(jì)算機(jī)的任何處理器。QPU的量子計(jì)算是基于量子力學(xué)原理的計(jì)算技術(shù)，利用量子疊加和量子糾纏等量子物理特性執(zhí)行計(jì)算，利用這些特性QPU可以快速處理和操作量子態(tài)，完成復(fù)雜的計(jì)算。

根據(jù)Nvidia的說(shuō)法，“拿在手上，量子處理單元（QPU）可能看起來(lái)和感覺(jué)上與圖形或數(shù)據(jù)處理單元（DPU）非常相似。它們都是十分典型的芯片或具有多個(gè)芯片的模塊?？梢坏┻\(yùn)行起來(lái)，QPU 就會(huì)爆發(fā)出截然不同的力量”。

QPU的性能一般用它所包含的量子位數(shù)量來(lái)表示，而量子位是一個(gè)抽象概念，所以需要通過(guò)各種技術(shù)來(lái)模擬出這個(gè)量子位節(jié)點(diǎn)。在量子位的制造上，目前有很多技術(shù)手段，如超導(dǎo)量子比特、離子阱量子比特、量子點(diǎn)量子比特等。

比如今年容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)硬件開(kāi)發(fā)商Alice & Bob就成功流片一款16量子比特的QPU——Helium 1，英特爾去年的12量子位量子處理單元QPU“隧道瀑布”也是英特爾迄今為止最先進(jìn)的硅自旋量子比特芯片。

量子計(jì)算目前還處于早期階段，日后哪種技術(shù)手段的量子位會(huì)在QPU中被廣泛使用還不得而知。但可以缺的是，理論上QPU所需的功率和所產(chǎn)生的熱量均會(huì)少于現(xiàn)在的這些經(jīng)典處理器。

經(jīng)典超算和量子計(jì)算的協(xié)同工作

業(yè)界認(rèn)為，隨著QPU的發(fā)展，未來(lái)會(huì)出現(xiàn)很多經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算的協(xié)同工作的場(chǎng)景，計(jì)算任務(wù)需要能夠在QPU、CPU和GPU上均良好運(yùn)行。

NvidiaCUDA-Q量子計(jì)算平臺(tái)程序能夠量子計(jì)算機(jī)的QPU和經(jīng)典系統(tǒng)中模擬QPU的GPU上運(yùn)行。ISC上連接NvidiaCUDA-Q量子計(jì)算平臺(tái)的日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的 ABCI-Q 超級(jí)計(jì)算機(jī)、德國(guó)于利希超算中心（JSC）、波蘭波茲南超級(jí)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)中心（PSNC）均是在做經(jīng)典計(jì)算和量子計(jì)算混合的研究工作。

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所表示ABCI-Q借助量子與經(jīng)典混合加速計(jì)算機(jī)，將在實(shí)用量子計(jì)算應(yīng)用方面取得進(jìn)展；波蘭波茲南超級(jí)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)中心表示通過(guò)構(gòu)建一個(gè)全新的量子與經(jīng)典混合系統(tǒng)，能夠在未來(lái)多QPU和GPU系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高效管理以及開(kāi)放簡(jiǎn)便的集成和編程；德國(guó)于利希超算中心同樣表示混合量子與經(jīng)典加速超級(jí)計(jì)算讓量子計(jì)算更接近成為現(xiàn)實(shí)。

混合的量子系統(tǒng)，無(wú)疑將使量子計(jì)算更接近現(xiàn)實(shí)更接近落地應(yīng)用，這種混合系統(tǒng)將在未來(lái)解決單靠經(jīng)典計(jì)算無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

小結(jié)

作為尚處于早期的科技賽道，新技術(shù)新硬件的每一次突破，都在推動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)離現(xiàn)實(shí)更近一步，最終每一步突破匯聚成的顛覆性的革新，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速引起行業(yè)變革。這項(xiàng)能夠改變世界的技術(shù)正朝著超越傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算的方向一步步前進(jìn)。