《全球量子计算动态观察》欧洲最快超算与量子计算机开始“混编作战”

中国计算机学会量子计算专业组

中国通信学会量子计算委员会
安徽省量子计算工程研究中心联合出品导读

据英国《新科学家》网站近日报道，欧洲目前运行速度最快的超级计算机“LUMI”已经与芬兰国家技术研究中心的第一台量子计算机HELMI完成连接。这种结合可以帮助研究人员找出让量子计算机与超级计算机实现最佳配对的方法，为一种新型计算奠定基础，以便更快速地解决复杂问题。

据了解，该连接由芬兰国家技术研究中心、CSC和阿尔托大学合作建立，芬兰大学和该研究机构的用户将获得对该平台的试点访问权。芬兰国家技术研究中心的维勒·科托维塔表示，HELMI是一款超导量子计算机，研究人员可通过向LUMI提交程序访问HELMI，即要求超级计算机告诉量子计算机该做什么，然后报告或使用其输出。尽管HELMI目前只有5个量子比特，但它仍可帮助研究人员找到同时使用传统计算机和量子计算机的最佳方法。中国量子计算专家解读当前，如何更好、更高效使用量子计算机和经典计算机，这是一个悬而未决的事情。但量子计算与超算融合或许是未来比较好的一个趋势。

这是一种量子-经典混合的计算架构，通常是指在一个系统中，同时包含了量子计算机和经典的CPU/GPU计算部分。利用量子计算机芯片来制备相应量子态并测量，再通过经典计算机算法来分析测量结果并优化量子计算机的参数等。更普遍来讲，可以设计算法让量子计算部分与经典计算部分传递信息，合作来完成计算任务。通过这种量子-经典混合架构，可以充分发挥量子计算的优势，同时借用成熟的经典计算方案来弥补早期量子芯片的噪声、退相干等问题。

除科托维塔团队外，还有其他大型量子计算机研究团队青睐这种混合方法。

德国

2021年3月，莱布尼茨超算中心（LRZ）成立了量子集成中心(QIC)，以进一步开展混合量子-经典系统的集成研究。LRZ是组成高斯超级计算中心的3个中心之一，正在与量子计算机硬件公司IQM、软件开发商HQS和超级计算机制造商Atos合作。该项目为期三年，运行资金4000万欧元。

2021年11月，德国联邦教育和研究部长Anja Karliczek宣布启动Q-Exa联盟，这是一个雄心勃勃的项目，旨在在传统高性能计算（HPC）的帮助下加速欧洲量子计算技术。2022年10月，莱布尼茨超算中心的“Euro-Q-Exa”项目获巴伐利亚州、德国联邦政府和欧洲的资助，将使用量子处理器作为超算的加速器。欧洲高性能计算联合企业 (EuroHPC JU) 理事会决定在莱布尼茨超级计算中心 (LRZ) 内搭建一台量子计算机。计划最早在2023年，莱布尼茨超级计算中心将向欧洲用户提供由德国联邦教育和研究部资助的量子设备“Q-Exa”。到2026年，将再添加100量子比特系统。美国2021年11月，戴尔公司和离子阱量子计算公司IonQ共同测试了混合经典-量子平台，该平台可以为药理学开发建模更大、更复杂的分子。
2022年2月，Rigetti Computing宣布与Ampere Computing(安晟培)建立战略合作伙伴关系，以共同创建混合量子经典计算机，意在通过云服务解锁新一代的机器学习应用。2022年11月，IBM发布433比特超导量子处理器Osprey，并将于2023年布局以量子为中心的超级计算机，其中QPU、CPU和GPU协同工作以加速计算。2022年12月，Qubit Pharmaceuticals 公司正在使用基于英伟达量子优化设备架构 (QODA) 的混合经典计算和量子计算构建一个平台（Atlas），来加速药物发现。通过量子&经典混合方式，Atlas平台将计算速度提高了100000倍。日本2022年11月，富士通宣布开发量子/HPC混合计算技术，该技术利用了富士通的39量子比特量子模拟器，并配备了与“富岳”超级计算机同款CPU的“PRIMEHPC FX 700”超级计算系统。通过把量子计算、高性能计算（HPC）和AI技术相结合，让没有专业知识的用户使用量子模拟器和HPC技术，为现实世界的问题寻找有效的解决方案。
法国2022年1月，法国政府启动全国量子计算平台建设，将以CEA运行的超大型计算中心（TGCC）为载体，实现传统计算机和量子计算机交互操作。
此外，2022年初，欧洲量子旗舰计划官网发布《欧洲量子计算和量子模拟基础设施》白皮书，为如何实现高性能计算机与量子计算的融合发展达成共识。白皮书由欧洲高性能（HP）和量子计算社区联合推出，涵盖了欧洲各大超算中心以及对高性能计算有巨大需求的相关科研机构。这份白皮书表达了QT和HPC社区的欧洲成员对如何联合量子计算机、量子模拟器和HPC资源的看法，从而预示着新一代混合量子经典机器的诞生，其中量子设备扮演加速器的角色，目标是增强传统超级计算机。

表：欧洲超算中心&HPC计算中心（来源白皮书）

今年10月，欧洲高性能计算联盟（EuroHPC JU）选择巴塞罗那超算中心作为欧洲量子计算网络的六个中心之一。新的量子计算机设备将安装在巴塞罗那超级计算中心，并与西班牙最强大、欧洲最先进的MareNostrum 5超级计算机相集成。此外，该联盟还宣布将选择捷克、德国、西班牙、法国、意大利、波兰六个成员国来部署史上第一个欧洲量子计算机网络。它将整合这六个国家现有的超级计算机，形成一个量子计算网络，并于2023年下半年投入使用。

量子计算机有望最终完成最强大的经典计算机（超级计算机）无法完成的计算。目前不少科研团队正致力于完善量子计算机，如果能与传统超级计算机“混编作战”，就能充分发挥量子计算机与超级计算机的双向优势。中国量子计算专家建议

我国超级计算中心总量世界排名第一，TOP500名中国占据162席，探索量子计算与传统超算融合发展对算力颠覆性创新具有重大意义。本源量子作为国内第一家量子计算公司，已成功研制第一台国产超导量子计算机，并获得安徽省首台套重大技术装备认定，即将推出更高算力的量子计算机，具备量子计算与传统超算融合发展的先天优势。