​量子计算和经典计算都引领世界，中国是如何做到的？ | 袁岚峰

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导读


我们有两个喜报告诉大家。第一个喜报是，中国团队获得了2021年的戈登·贝尔奖。第二个喜报是，中国团队消灭了谷歌的量子霸权。

我们有两个喜报告诉大家。第一个喜报是，中国团队获得了2021年的戈登·贝尔奖。第二个喜报是，中国团队消灭了谷歌的量子霸权。这两个消息是什么意思呢？为什么它们会放在一块？往下看就知道了。

首先，戈登·贝尔奖是高性能计算应用的最高奖，以著名的计算机科学家Gordon Bell命名。2021年11月18日，在美国密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会（SC21）上，国际计算机协会（ACM）将2021年度戈登·贝尔奖授予中国超算应用团队（喜报！中国超算应用团队摘得2021年度“戈登贝尔奖”）。他们获奖的应用叫做“超大规模量子随机电路实时模拟”，在我国新一代神威超级计算机上运行。

戈登·贝尔（Gordon Bell）

熟悉量子计算的人一听就会明白，量子随机电路取样正是谷歌的量子计算机“悬铃木”（Sycamore）运行的任务，这是一个对经典计算机十分困难、而对量子计算机相对容易的任务。2019年，谷歌宣布自己的量子计算机悬铃木取样200秒获得了100万个数据，而当时最快的超级计算机“顶点”（Summit）获得同样的数据需要一万年，所以实现了量子霸权（quantum supremacy）或量子优越性（quantum advantage），即量子计算机对某个任务超越了最强的经典计算机。

悬铃木（Sycamore）

然而，在那之后立刻有很多团队来改进经典算法，力图反超悬铃木。例如，IBM在谷歌的论文刚发布时就指出，只要多用一些存储器，就能把经典计算机所需的时间缩短到两天半。当然两天半还是比200秒长，但差距已经大为缩小了。

“一些”存储器是多少？是顶点的所有内存和所有硬盘，约250 PB即25万TB。除此之外还需要顶点的所有机器去做计算。这是个巨大的投资，IBM并没有真正去运行这个模拟。

这次中国团队的工作，是用中国新的神威超级计算机，在304秒内得到一百万关联的样本。在这个意义上，他们已经离悬铃木的结果很近了。所以这论文的标题叫做《Closing the "Quantum Supremacy" Gap: Achieving Real-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway Supercomputer》，closing的意思就是“正在关闭”。

这个中国团队共有14人，来自之江实验室、国家超级计算无锡中心、清华大学、上海量子科学研究中心等单位。有一点有趣的是，之江实验室的英文是Zhejiang Lab，即浙江实验室。有人看到图片上写的Zhejiang Lab以为是写错了一个字母，把i写成了e，其实并没有错。

然后，与此同时还有另一个工作，来自中国科学院理论物理研究所张潘研究员的团队（谷歌量子霸权的瓦解 | 中科院理论物理所）。他们在2021年3月发了一篇预印本文章，提出了上述获奖团队使用的方法。然后，他们在11月4日又发了一篇预印本文章，进一步改进了方法，大大改进了结果。

他们用一个512块GPU的计算集群计算了15个小时，就完成了悬铃木的任务，即53量子比特20循环的量子线路采样。这只是个512块GPU的小型集群，如果迁移到新神威超级计算机上，可望在几十秒内完成，这就正面击败了悬铃木。因此，理论物理所报道这项工作的标题就叫做《谷歌量子霸权的瓦解》。

张潘团队在算法上做了很多创新，如张量网络挖洞、fSim量子门的低秩结构、稀疏态方法。这些算法可望应用到更多的问题中去，例如统计物理中的自旋玻璃问题和应用数学中的组合优化问题。

不久前，我介绍了中国在量子计算机领域的重大进步（中国量子计算机再次突破，九章二号和祖冲之二号是什么意思？| 科技袁人）。中国科学技术大学潘建伟团队的“九章”光量子计算机和“祖冲之号”超导量子计算机都升级成了二号。九章二号把相对于经典计算机的优势从一百万亿倍增加到了一亿亿亿倍，祖冲之二号全面超越了悬铃木，实现了量子优越性。所以有趣的问题来了，张潘团队的工作有没有消灭祖冲之二号的量子优越性呢？

九章二号

祖冲之二号

我问了张潘，他的回答是不知道，因为还没有来得及研究祖冲之二号。虽然祖冲之二号跟悬铃木执行的是同类的任务，即随机电路取样，但祖冲之二号比悬铃木复杂得多，例如量子比特数是66对53，计算复杂度比它高6个量级。所以这对经典计算机科学家来说，肯定是一个更难攻克的目标。

从量子计算的角度，来看一下当前的大图景。中国在至少一个体系上实现了量子优越性，即光学，这也是人类目前唯一可靠的量子优越性。美国原本在超导体系上实现了量子优越性，但现在又被经典计算机反超了，所以美国有量子优越性的体系数变成了0，跟其他国家一样。中国有量子优越性的体系数究竟是1还是2，目前还不清楚。

有一点需要强调的是，经典计算机反超量子计算机绝不说明量子计算是吹牛、是骗局。正确的理解是，经典和量子在进行良性竞争，双方互相学习，共同进步。真正发生的，是人类的计算能力进步了。这总是好事，无论它来自经典还是量子。最终，随着量子计算机硬件软件的进步，我们预期量子计算机对某些问题会远超经典计算机，这是业界努力的方向。

当前最有趣的是，最强的量子计算机是中国造的，最强的反超量子计算机的经典算法也是中国提出的。这场“左右互搏”十分奇妙，中国在量子计算领域和经典计算领域都在引领世界。

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背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：祝阳