打破“量子霸权”神话，中国团队获超算界诺奖“戈登贝尔奖”

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打破“量子霸权”神话，中国团队获超算界诺奖“戈登贝尔奖”

2021-11-23 13:37:08　来源: 澎湃新闻

澎湃新闻从清华大学获悉，美国时间 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”的谜底在密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会（SC21）上揭晓，中国超算应用团队凭借 Closing the Quantum Supremacy Gap:Achieving Read-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway Supercomputer（简称 SWQSIM ，“超大规模量子随机电路实时模拟”）成果获此殊荣。

“戈登贝尔奖”设立于 1987 年，是国际上高性能计算应用领域的最高学术奖项，被称为“超算领域的诺贝尔奖”。在 2016 年之前，美国、日本曾垄断该奖项长达近 30 年。


获奖项目揭晓。本文图片均为清华大学供图

打破谷歌悬铃木“量子霸权”

“量子霸权”是一个术语，表示量子计算设备在某些应用场景中，可以表现出传统计算机无法企及的性能优势。比如谷歌公司 2019 年所研发的悬铃木系统，在 200 秒内完成的百万量子采样（保真度 0.2%），美国最快的顶点超级计算机需要一万年才能模拟完成。中国超算团队的这项最新研究，实现了近实时的量子模拟，证明了谷歌公司 2019 年演示的随机量子线路采样任务并不能真正实现“量子霸权”。

研究团队基于新一代神威超级计算机，研发了量子计算模拟器 SWQSIM ，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。与“悬铃木”200 秒完成 0.2% 保真度的百万采样任务相比较，SWQSIM 可在 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，还可以在 60 小时内完成比“悬铃木”更加复杂的 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了坚实的模拟支撑。


悬铃木量子计算机采样任务的张量网络表达

基于经典计算机的模拟验证是当前带噪声的量子计算机研发过程中不可或缺的工具。目前的复杂量子电路，保真度还比较低。以谷歌的悬铃木系统为例，一百万个样本中，仅能保证两千个左右的有效样本。像 SWQSIM 这样，具备近实时的模拟能力的量子电路模拟器，也能够为量子计算机未来的发展提供强大助力。

清华超算团队三次获奖

此次获奖团队由来自之江实验室及国家超级计算无锡中心的刘勇、刘鑫、李芳、杨雨灵、宋佳伟、赵朋朋、王臻、彭达佳、陈华蓉，清华大学及国家超级计算无锡中心的付昊桓、陈德训，国家超级计算无锡中心的吴汶钊，上海量子科学研究中心的黄合良、郭楚等14名成员组成。其中，刘鑫、付昊桓、郭楚、陈德训为共同通信作者。

作为核心成员之一，这是清华超算团队第三次获得该奖。

此前的 2016 年及 2017 年，清华超算团队参与的大气动力方程求解器以及领衔的非线性地震模拟工作，因高效实现了模型的大规模并行扩展，并大幅提升了时空分辨率和关键现象刻画能力，实现了中国近30年来在这个奖项上零的突破和蝉联。

澎湃新闻从清华大学了解到，一批青年研究者正从这样的研究项目中成长起来。在中国超算应用团队 2016 年首次获得“戈登·贝尔”奖时，甘霖作为该成果的共同通信作者之一，当时还是清华大学计算机系的一名博士生。在选择就业的关键时期，他毅然决定留在“神威·太湖之光”应用团队，为国产超级计算机打造属于自己的应用。毕业后，他继续致力于面向国产超级计算机的地学应用软件方向的研究，获得了清华浪潮计算地球科学青年人才奖、全国青年岗位能手标兵等一系列荣誉，并且成为国内首位获得 IEEE 高性能专委会杰出新人奖的青年学者。

作为今年获奖团队成员之一的吴汶钊，曾是清华大学地学系的一名硕士研究生，毕业后到国家超级计算无锡中心工作，自 2020 年开始负责神威平台深度学习框架的开发工作。“在地学系学习期间，系里一直鼓励学科交叉，让我可以将所学知识不断尝试运用至新的领域中。”吴汶钊说。