6秒完成超算需要47年的计算，谷歌再次祭出“量子霸权”

四年前，谷歌工程师夸耀自己实现了“量子霸权”，实验表明其 53 量子位 Sycamore 量子系统解决了传统超级计算机无法解决或需要很长时间才能解决的问题。当时，谷歌在量子领域受到了竞争对手的围攻，IBM等竞争对手表示，所承担的工作并不太复杂，可以通过传统系统来解决，尽管可能需要更长的时间。

但量子计算的承诺——对于能够解决一系列当前不可能的复杂问题的科学家和研究人员，以及对于即将进入一个非常有前途和潜在利润丰厚的增长领域的硬件和软件供应商来说——确保了这项工作将继续下去，即使面对批评和挑战。

因此，在研究发表后，谷歌再次宣扬量子霸权，该研究表明下一代 Sycamore 系统（具有 70 个量子位和比前一代强大 2.41 亿倍的量子处理器）可以超越现有的量子处理器。世界上最强大的超级计算机，运行的计算需要橡树岭国家实验室的大型 1.68 exaflops“Frontier”系统需要 47 年才能完成。

这是4 月份在 ArXiv 网站上发表的一篇论文中概述的研究的一个关键目标，但该论文于本月首次撰写，谷歌研究人员写道，“量子计算机有望执行超出经典计算机能力的任务”，并补充道通过该实验，“我们根据改进的经典方法估计了计算成本，并证明我们的实验超出了现有经典超级计算机的能力。”

量子计算已经被谈论了几十年，但该领域仍有很长的路要走。具有一百万或更多量子位的全功能、纠错量子系统可能需要十多年的时间才能启动并运行。这还没有考虑到它面临的各种其他挑战，从将系统成本和计算时间降低到使其在经济上值得的水平，到开发在其上运行的软件，再到找到足够的技术人员来构建和部署管理他们。

还有关于如何使用它们的问题，至少在最初是这样。它们会是独立的系统吗？在云端运行？作为经典与量子混合体的一部分，承担传统超级计算机无法承担的工作负载？该行业还可能必须选择供应商用来创建量子位（驱动量子系统的引擎）的几种不同模式。

尽管如此，仍有大量工作正在进行，其中包括谷歌、IBM、微软、AWS和英特尔等 IT 巨头以及众多规模较小的公司和初创公司。甚至其他行业的组织也在这一领域开展工作：金融服务公司富达正在其应用技术中心研究量子技术。虽然像谷歌这样的结果是渐进的，但它们表明正在取得进展，并暗示了工作的进展方向。

IBM 和加州大学伯克利分校上个月推出的联合研究就是一个例子，该研究表明，即使仍处于实验阶段，量子系统也可以优于传统系统。双方的科学家在 IBM 的 127 量子位量子“Eagle”处理器上对复杂的物理模拟工作负载进行了计算，即使没有所需的容错量子电路（处理器尚未准备好）来抑制可能影响的噪声。量子位——和经典系统。

研究人员在研究报告中写道：“我们报告了在嘈杂的 127 量子位处理器上进行的实验，并演示了对电路体积的准确期望值的测量，其规模超出了暴力经典计算的范围。” “我们认为，这代表了量子计算在前容错时代的实用性的证据。”

谷歌研究的目的也与此类似，研究人员撰写了“加剧的量子经典竞争”的文章。

他们写道：“最近的 RCS（随机电路采样）实验凸显了计算复杂性和噪声之间的相互作用，从 2019 年的 53 量子位 Sycamore 量子处理器开始。” “从那时起，已经报道了扩大系统尺寸和降低噪声的类似实验，而经典算法也取得了实质性进展。”

他们写道，这项研究旨在解决两个主要问题：“实际上，噪声量子处理器利用指数级大希尔伯特空间的区域是否存在明确定义的边界？更重要的是，我们能否建立一个直接探测这些边界的实验可观察对象？”

研究人员在第二代 Sycamore 系统上进行了 RCS 实验，该系统包括 24 个周期的 70 个量子位，并确定了他们所说的由噪声和量子动力学之间的相互作用推动的“不同阶段”。他们使用所谓的“具有交叉熵基准的有限尺寸研究 [XEB]”确定了阶段的边界。量子动力学和噪声之间的相互作用可以导致相位。

谷歌表示，其结果是一个量子系统，其性能显着优于世界上第一个经过认证的百亿亿次系统 Frontier。该庞大系统基于 Hewlett Packard Enterprise 的 Cray EX235a 系统，并由定制的“Trento”Epyc CPU和“Aldebaran”Instinct MI250X GPU 加速器提供支持。它拥有近 870 万个核心，包括 HPE 的 Slingshot-11 互连，并提供 1.194 exaflops 的性能。

根据谷歌的研究，Frontier 需要 6.18 秒才能运行 53 量子位 Sycamore 系统可以立即完成的相同计算。与 70 量子位的下一代 Sycamore 相比，这个数字达到 47.2 年。研究人员写道，实验表明，即使是嘈杂的量子系统，运行某些计算的速度也比最强大的经典超级计算机要快得多，并提供了“关于量子动力学如何与噪声相互作用的直接见解”。“观察到的相边界为噪声量子设备可以正确利用其计算能力的 7 种状态提供了定量指导。”

也就是说，目前的量子领域仍然面临着我们上面提到的一些挑战。他们写道：“展望未来，尽管 RCS 迄今为止取得了成功，但为近期噪声量子处理器寻找实际应用仍然是一个严峻的挑战。”

这与阿贡国家实验室环境与生命科学计算副实验室主任 Rick Stevens 5 月份所说的在谈论 HPC 中的任何事情时都需要耐心的态度相呼应。这包括从泽塔尺度系统到本例中的量子系统的一切。阿贡国家实验室今年将启用 HPE 设计的另一款百亿亿次系统“Aurora”，但该系统基于英特尔的“Sapphire Rapids”Xeon SP CPU 和“Ponte Vecchio”Max 系列 GPU。

史蒂文斯在一次网络研讨会上表示，Frontier 花了十五年的时间才上线，而 zettascale 和量子系统可能还需要 15 到 20 年的时间。

HPC的道路是一条漫长而曲折的道路。

“这是一场长期的游戏，”他说。“如果您对明年发生的事情感兴趣，那么 HPC 不适合您。如果您想以十年或二十年的角度思考，HPC 就是您的最佳选择。。。。现在还只是早期阶段。我们还有很长的路要走，所以我们必须思考，十年后高性能计算意味着什么？二十年后这意味着什么？”