量子计算机如何实现量子霸权

物理学家们相信量子计算机很快就会超越世界上最强大的超级计算机。为了证明这一点，他们已经开发出一种测试方法，可以比较出两种计算机的性能优劣。

每年TOP500项目发布两次世界上最强大的计算机排名。这份名单很受大家期待且影响巨大，全球超级大国都在竞争排名主导地位。在撰写本报告时，中国有229台设备在该名单上，占据排名主导地位。

而虽然美国只有121个，但其中包括位于田纳西州橡树岭国家实验室的世界上最强大的的Summit超级计算机，峰值运算速度为每秒143千万亿次(Petaflops)。

排名由被称为Linpack的基准测试程序确定，该程序是Fortran子程序的集合，可解决一系列线性方程，而求解方程所需的时间是衡量计算机速度的标准。

这种基准测试的选择有很多争议。通常计算机体系结构经过优化可以解决特定问题，但许多计算机结构与Linpack挑战有很大不同。例如，量子计算机性能完全不适合解决这些问题。

这就引申出了一个重要问题：量子计算机在解决某些类型的问题时所表现出的性能超过了最强大的超级计算机，但它们究竟有多强大？根本问题在于如何衡量其性能并与经典计算机进行比较。

今天，感谢在加利福尼亚州山景城NASA艾姆斯研究中心的量子人工智能实验室工作的BenjaminVillalonga团队，让我们得到了上述问题的答案。该团队已经开发出同时适用于经典计算机和量子设备的基准测试，通过这种方式，可以比较出它们的性能。

更重要的是，该团队已经使用新的基准测试将世界上最强大的超级计算机Summit性能提升到了峰值运算速度为每秒281千万亿次(Petaflops)。也就是说量子计算机必须击败该基准才能在排名中确立其至高无上的地位。

找到测试量子计算机能力的好方法并非易事。一开始，计算机科学家就知道量子计算机只能在执行有限数量的高度专业化的任务时胜过经典计算机。然而即便如此，目前仍然没有任何量子计算机足够强大到可以很好地执行它们中的任何一个计算。例如，它们无法实现纠错计算。

因此，Villalonga和Co寻求可以对量子计算能力进行更为基础的测试方法。这种方法对于经典计算机和未来更先进的量子机器同样有效，并且也可以在经典计算机上进行模拟。

他们选择的方法是使用随机量子电路来模拟量子混沌（Quantum Chaos）的演化。因为该过程不需要强大的纠错，并且过滤掉已经被噪声淹没的结果也相对简单，所以简单的量子计算机就可以做到这一点。

而对于经典计算机来说，模拟量子混沌也很简单。但是，执行此操作所需的计算能力却随着所涉及的量子位数增加而呈指数级增长。

两年前，物理学家们断定，只有具有至少50个量子比特的量子计算机性能才能够比当时的传统超级计算机更加强大。

但随着超级计算机的升级，量子计算机的量子比特数量也在不断变化。例如，现在的Summit超级计算机和去年11月最后一次排名时相比，其性能显著增加千万亿次浮点运算，而当时它的排名其峰值运算速度为每秒143千万亿次(Petaflops)。事实上，橡树岭国家实验室本周公布了一个计划：在2021年之前建造一台每秒浮点运算可达1.5百亿亿次（exaflop）的超级计算机。因此能够不断地将这些机器与新兴的量子计算机进行对比，将变得越来越重要。

美国宇航局和谷歌的研究人员创造了一种名为qFlex的算法，可以在经典机器上模拟随机量子电路。去年，他们证明了qFlex可以模拟和测试一台名为Bristlecone的谷歌量子计算机的性能，该计算机有72个量子比特。为此，他们在NASAAmes使用具有20petaflops的数字运算能力的超级计算机。

现在他们已经证明Summit超级计算机可以模拟更大量子器件的性能。“在Summit计算机上，我们能够实现281Pflop / s（单精度）的持续性能，模拟49量子比特和121量子比特的电路。”

这121个量子比特超出了任何现有量子计算机的能力。因此，经典计算机在TOP500项目计算机排名中仍然处于领先地位。

但这是一场经典计算机注定要失败的比赛。目前某些团队已有在未来几年内建造具有100+量子比特的量子计算机的计划。随着量子计算能力的加速，构建更强大的经典计算机面临的挑战越来越大。

因为构建新机器的限制因素不再是硬件，而是可用于保持它们运转的功率。Summit机器尚且需要14兆瓦的电源，这在生活中已经足以照亮整个中型城镇。而将这样的系统扩展10倍则需要140兆瓦的电力，这对人类来说是非常昂贵的。”Villalonga和 Co说到。

相比之下，量子计算机算是节能机器了。它们的主要功率需求是使得超导元件冷却。因此，像谷歌的Bristlecone这样的72-bit计算机大约需要14千瓦。“而且随着量子比特系统的扩大，这个数量显著增长的可能性也不大。”Villalonga和 Co表示。

因此，在效率排名中，量子计算机注定迟早将对手打得一败涂地。

无论如何，量子霸权即将到来。如果在经典机器上模拟随机量子电路的这项工作可行，将证明qFlex将会成为衡量其量子计算机与经典计算机性能的新基准。

| 编辑:Yoking , 校对:Sakura |

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