谷歌關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的論文已經(jīng)發(fā)表，我們現(xiàn)在通過橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的文章介紹，來了解更多背后的故事。橡樹嶺國際實(shí)驗(yàn)室屬于美國能源部，目前全球最快的超算Summit正是坐落于此，而2021年左右，它將建成新的超算，將是全球第一臺EB級超算。

谷歌總裁Pichai與量子計(jì)算機(jī)

由Google.，NASA Ames研究中心和美國能源部的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室組成的聯(lián)合研究小組已經(jīng)證明，量子計(jì)算機(jī)在某些任務(wù)上可以勝過傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這一壯舉被稱為量子霸權(quán)。

量子計(jì)算機(jī)使用量子力學(xué)定律和稱為量子位的單位大大提高了可以傳輸和處理信息的閾值。傳統(tǒng)的“位”的值為0或1，而qubit則同時(shí)使用0和1的值或其任意組合進(jìn)行編碼，從而為存儲數(shù)據(jù)提供了多種可能性。

橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室研究員Travis Humble是聯(lián)合研究小組成員之一

量子系統(tǒng)雖然仍處于早期階段，但其潛力可能會比當(dāng)今領(lǐng)先的經(jīng)典計(jì)算系統(tǒng)強(qiáng)大得多，并有望徹底改變材料，化學(xué)，高能物理以及整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的研究。研究小組的結(jié)果在《自然》雜志上發(fā)表，提供了量子霸權(quán)的概念證明，并建立了解決時(shí)間和能量消耗的基線比較。

美國能源部科學(xué)局副局長保羅·達(dá)巴（Paul Dabbar）表示：“量子霸權(quán)的成就證明了美國創(chuàng)新的力量，美國能源部的實(shí)驗(yàn)室正在幫助并引領(lǐng)這一突破性的研究領(lǐng)域?！?“對量子技術(shù)的掌握正在創(chuàng)造一個(gè)新的信息時(shí)代，它提供了處理信息的新方法，從而使科學(xué)和社會受益。”

由Google制造并被稱為Sycamore的量子計(jì)算機(jī)由53個(gè)量子位組成。經(jīng)典計(jì)算機(jī)是ORNL的Summit，位于橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算設(shè)施（OLCF）中，由于擁有4600多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，因此被譽(yù)為全球功能最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的程序員Dmitri Liakh編寫了運(yùn)行在Summit超算上的程序，用來比較超算與量子計(jì)算性能的差別

兩種系統(tǒng)均執(zhí)行稱為隨機(jī)環(huán)路采樣（RCS）的任務(wù)，該任務(wù)專門用于測量Sycamore等量子設(shè)備的性能。在量子計(jì)算機(jī)上，仿真耗時(shí)200秒。在Summit上運(yùn)行相同的模擬后，研究小組推斷，該計(jì)算將花費(fèi)超過10,000年的時(shí)間來使用當(dāng)今最先進(jìn)的算法來完成世界上最強(qiáng)大的系統(tǒng)，從而為設(shè)計(jì)提供了量子至上性和關(guān)鍵信息的實(shí)驗(yàn)證據(jù)未來的量子計(jì)算機(jī)。不僅Sycamore的速度比傳統(tǒng)的Sycamore快，而且能源效率也高出約1000萬倍。

研究人員還估計(jì)了單個(gè)組件的性能，以準(zhǔn)確地預(yù)測整個(gè)Sycamore裝置的性能，證明了量子信息在按比例放大時(shí)表現(xiàn)出一致的行為-這是設(shè)計(jì)大型量子計(jì)算機(jī)的必要屬性。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，今天的量子計(jì)算機(jī)可以在基準(zhǔn)測試方面勝過最好的傳統(tǒng)計(jì)算。” ORNL研究人員和實(shí)驗(yàn)室量子計(jì)算研究所所長Travis Humble說道。 “我們還嘗試了其他方法，但是我們的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)在真實(shí)系統(tǒng)上證明這一結(jié)果的人?！?/p>

真正的系統(tǒng)至關(guān)重要。谷歌的研究人員和位于硅谷的美國宇航局艾姆斯研究中心試圖利用美國宇航局的資源來解決這一問題，很快意識到他們需要一臺功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。沒有比ORNL的Summit更強(qiáng)大的功能了。

將量子計(jì)算移植到經(jīng)典的Summit中并不是一件容易的事。 RCS模擬器稱為qFlex，最初包括僅CPU計(jì)算的版本。然而，Summit從NVIDIA圖形處理單元（GPU）中獲得了世界一流的速度，該GPU解決了計(jì)算密集型數(shù)學(xué)問題，而CPU有效地輔助了任務(wù)。

由OLCF的Dmitry Liakh開發(fā)的庫，用于在多核CPU和GPU上執(zhí)行張量代數(shù)運(yùn)算，從而使團(tuán)隊(duì)能夠利用Summit的全部功能，再加上IBM系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)512 GB的內(nèi)存，提高了仿真速度，與純CPU的版本想，速度增加了兩倍。

“可以在ORNL的Summit上運(yùn)行的模擬實(shí)驗(yàn)證明了下一代等量子體系結(jié)構(gòu)的有效性，這表明該實(shí)驗(yàn)室長期以來一直在加速計(jì)算創(chuàng)新，并證明了經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算潛力方面的必要性，” ORNL聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 計(jì)算與計(jì)算科學(xué)總監(jiān)Jeff Nichols說。

ORNL的Titan是首個(gè)利用GPU的功能的領(lǐng)導(dǎo)力計(jì)算系統(tǒng)，使其能夠在2012年首次亮相，并一直保持到2018年全球功能最強(qiáng)大的十大系統(tǒng)之一。Titan的成功促成了Summit的發(fā)展， 擴(kuò)展將推動Frontier的設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品將于2021年交付時(shí)成為美國首批百億億級計(jì)算機(jī)之一。