HPC+量子：能源转型也是计算范式的转型

光子盒研究院出品

意大利能源公司Eni和中性原子量子计算初创公司Pasqal正在合作开发基于量子的高性能计算(HPC)解决方案，以加速绿色能源转型。

量子计算使用量子物理学原理来解决超出传统计算机能力的问题。总部位于巴黎的Pasqal利用排列在2D和3D阵列中的有序中性原子创造了量子计算机。通过其全栈方法，Pasqal正在创建量子算法，以改进当前的HPC流程，用于Eni正在其价值链(上游、下游、化学品和可再生能源)中研究的一系列能源应用。

自2021年以来，Eni自2021起通过风险投资部门Eni Next投资Pasqal，Eni Next专门投资于解决能源向零碳未来过渡的初创公司。到目前为止，Pasqal已经从各种来源筹集了超过4000万欧元。

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HPC与量子计算

如今，HPC是解决科学、金融和医疗领域复杂问题的重要工具。包括气候系统建模、地震预测、疫苗开发、材料设计、药物研发、库存管理和图像识别等，只是HPC做出显著贡献的几个应用。

近年来，通过引入内存共享解决方案、高性能处理器(如GPU和FPGA)的可用性以及广泛使用并行架构(如在云中广泛使用的集群服务器)来加快包括人工智能在内的最复杂算法的执行时间，实现了性能的逐步提高。

但是，尽管今天的HPC系统的运行速度比最快的台式机、笔记本电脑或服务器系统快出了100多万倍，但有些问题即使是最先进的超级计算机也无法在可行的时间框架内解决。量子计算承诺传统系统无法实现的性能，有效地解决在传统计算机上耗时太长的高度复杂的计算问题。

包括对大规模系统的演化进行建模。例如，气象分析模型必须确定覆盖数十或数百平方公里的广大区域的大气因素的未来行为。这种模型基于需要求解许多变量的微分方程组。今天的建模系统旨在产生准确和及时的预测数据，但它们的局限性意味着预测者必须满足于通常不超过50%的可靠性水平。

类似计算复杂性的问题还包括地震预测、油田流体流动分析、分子系统分析(DNA测序)和自动化交易系统。量子计算机可以执行能够解决这些问题和其他问题的量子算法。

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Eni的高性能计算历程

Eni投资于数字技术，以提高其运营效率，实现新业务，并支持全球温室气体(GHG)排放的净减少，目标是到2050年提供完全脱碳的产品和服务。该公司位于意大利Ferrera Erbognone的绿色数据中心拥有一台HPC4超级计算机，于2018年安装，以及后续升级的HPC5(图1)，于2020年6月进入全球超算500强排名。HPC5也于2020年6月首次登上GREEN500特别名单，全球第六、欧洲第一、工业计算整体第一的最节能超级计算机并列，这一位置一直保持到2022年6月。

Eni表示，该公司设计的数据中心是世界上最可持续、最节能的数据中心之一。据该公司称，与竞争对手的设施相比，该中心使用更少的电力来驱动其计算机。

图1 Eni公司的HPC5

与都灵理工大学合作开发的惯性波浪能转换器(ISWEC)系统是HPC4和HPC5实现的应用之一。ISWEC利用波浪能发电，波浪能被认为是地球上最大的未开发可再生能源。转换后的能量可立即用于海上发电厂，或者直接送入电网，为沿海社区提供电力。第一个试点工厂已经在意大利拉韦纳海岸的公海试验区投入使用(图2)。

图2 ISWEC的试点工厂现在正在拉韦纳附近的公海投入使用

绿色数据中心的超级计算机也被用来运行磁约束聚变研究的新算法，以支持超导磁体的开发和等离子体的研究。这些计算工具还被用来生成分子和光活性聚合物的理论模型，这是Eni太阳能捕获技术的核心。

两家公司表示，利用Pasqal的专有算法将使Eni加快这些和其他领域的研究，并释放新的能力。

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Pasqal的量子处理器

Pasqal开发了一种基于中性原子设备架构的量子处理器(QPU)，而且特别适合模拟。采用合成量子系统的模拟是解决复杂的非确定性多项式时间困难(NP-Hard)问题的一种有前途的工具，传统的数值方法通常不能解决这些问题。

量子模拟是Pasqal的QPU最有前途的用途，其中QPU用于了解感兴趣的量子系统。中性原子量子处理器将有利于科学发现和工业应用，例如设计用于能量储存和运输的新型材料或用于药物发现的化学计算。

在Pasqal的量子处理器中，量子比特是原子；原子被一个接一个地操纵来存储和编码量子信息。Pasqal表示，这种方法使该公司达到了前所未有的系统规模，拥有超过100个原子的量子寄存器。大量相互作用的量子粒子将可以模拟多体量子系统的动力学，这超出了传统技术的能力。

图3 一个14 × 14填充的原子阵列，对应196个量子比特

Pasqal列举了其方法的几个好处。首先，它不需要冷却，可以在室温下工作。第二，因为每个物体都是自然产生的，所以它们在结构上都是完全相同的。第三，Pasqal开发的量子计算机消耗的能量相当于四个吹风机的能量。

控制数百个量子比特的能力表明这个系统非常具有可扩展性。该公司称，这项技术已经能够控制多达200个量子比特。图3显示了196个量子比特作为14 × 14填充的原子阵列。

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合作，而非竞争

量子计算机很强大，但也有其缺点。首先，量子计算机难以使用，需要非常受控的设置才能运行，并且必须应对“退相干”导致的量子态丢失，从而产生奇怪的结果。量子计算机也很稀有，价格昂贵，而且对于大多数任务来说，效率都低于传统计算机。

尽管如此，通过将量子计算机与传统计算机相结合，可以抵消其中许多问题。正如芬兰研究机构VTT选择的，将一台小型量子计算机连接到欧洲最强大的经典超级计算机，HELMI是VTT开发的5比特超导量子计算机，连接到全球算力前三的超级计算机LUMI。

在这种架构中，研究人员可以创建一种混合算法，让传统的超级计算机LUMI处理它最擅长的部分，同时将任何可以从量子计算中受益的东西交给HELMI。然后，LUMI可以整合HELMI的量子计算结果，执行任何必要的额外计算，甚至将更多计算发送给HELMI，并将完整的结果返回给研究人员。

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