中国超算应用团队获全球超级计算应用领域“戈登贝尔”奖

中国队获得超算界诺贝尔奖“戈登·贝尔”（图）。视觉中国供图

中国超算应用团队再次站在国际计算应用领域的最高领奖台上。

当地时间11月18日下午桶排序算法时间复杂度，在美国密苏里州圣路易斯市举行的全球超级计算大会上，超级计算应用领域的国际最高奖项——2021年“戈登·贝尔”奖揭晓。计算应用团队凭借神威新一代超级计算机研发的量子计算模拟器——“超大规模量子随机电路实时仿真”（SWQSIM）荣获此殊荣。这是继2016年、2017年、2020年之后，中国队第二次在超算应用领域登顶。

“建强用弱”形势开始逆转

在互联网上，很多从事超级计算工作的专业人士都试图用自己的理解，用简单通俗的方式向公众描述这项工作的重要性。这项研究没有“实体”，只展示了一个软件，很难像火箭发射或宇航员出口那样直观地展示成果。然而，在专业人士的眼中，这表明中国在超级计算应用这一世界前沿技术领域已经达到了一个令人瞩目的高峰。

中国科学院计算技术研究所副所长、研究员鲍云刚立即向他表示祝贺，并表示：“获得超大规模量子随机电路实时仿真应用奖，不仅具有重大的科学意义。意义重大，同时也展示了中国“超高计算机的威力”。

中国科学院院士、南方科技大学量子科学与工程研究所所长于大鹏表示：“团队在算法与超算架构相结合方面取得重要突破，取得了巨大的成功。不仅对超级计算社区做出贡献，而且对量子计算社区也有贡献。” .

中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室主任、研究员范翔认为，“世界上最大的量子随机电路模拟代表了最先进的量子计算模拟水平，创下了计算机和经典计算机。”

“戈登·贝尔”奖的巅峰，30年来一直被美日牢牢占据。该奖项设立于 1987 年，主要授予高性能计算应用领域最杰出的成就。它通常由当年在 TOP500 中名列前茅的计算机系统应用授予。软件获得了这个奖项。

2016年，中国在“戈登·贝尔”奖上破冰，随后在2017年和2020年获得了这一荣誉。

2021年，角逐“戈登贝尔”奖的六个最终项目中，一半来自中国，另一半来自美国和日本。除了获奖团队的应用外，中国的另外两个应用分别是“千万核可扩展第一性原理拉曼光谱模拟”和“多架构大规模并行辛结构电磁全运动物理等离子体模拟”。

鲍云刚表示，连续获奖意味着中国此前在超级计算领域“强强联合”的局面已经开始扭转。

打破“量子霸权”

如果用严谨的语言来描述，这个获奖项目就是一长串的表述——使用新一代神威超级计算机实时模拟随机量子电路。

据获奖团队负责人、之江实验室智能超算研究中心研究员刘欣介绍，在这项工作中，研究人员介绍了一个系统的设计流程，涵盖了仿真所需的基本算法、并行算法和系统级优化。方法。他们基于新一代神威超级计算机，提出了一种近似最优的张量网络并行分割收缩方法和混合精度算法，可以高效地并行扩展到千万核，提供4.40每秒10亿次的1亿次连续计算性能，是目前世界上已知的超级计算领域最高的混合精度浮点计算性能。

“量子计算是后摩尔时代提高计算效率的重要途径，也是解决大规模科学计算应用的重要手段。作为经典计算和量子计算之间的桥梁，量子模拟器可以模拟基于量子计算的量子计算。经典计算机。计算机正确性的验证和辅助用户的量子算法设计是当前带噪声的量子计算机研发过程中不可缺少的工具。刘欣说。

中国队获奖后，有关该队打破“量子霸权”神话的消息席卷了整个屏幕。那么，什么是“量子霸权”？

“量子霸权”是一个与国际政治无关的科学术语。它指的是一个量子计算机远远优于现有计算机的问题，这是美国物理学家约翰·普雷斯基尔在 2012 年创造的一个术语。由于“霸权”这个词让很多人感到不舒服，科学家们现在更愿意称之为“量子优势”。

2019年10月，谷歌在国际学术期刊《自然》上发表文章，声称率先实现“量子霸权”：谷歌研发的“行星式”量子计算原型可以在200秒内完成数百万台量子计算机。采样，而美国最快的“顶级”超级计算机需要 10,000 年的时间来模拟——时间差高达 10 亿倍。

此次，中国超算应用团队证明，基于新一代神威超算，谷歌在2019年展示的随机量子电路采样任务也能在短时间内完成，打破谷歌的“量子霸权”。

具体来说，中国的量子模拟器SWQSIM可以在304秒内获得数百万个具有更高保真度的相关样本，在一周内获得相同数量的不相关样本。该软件还可以在60小时内完成比“行星树”复杂1000倍以上的量子电路模拟，实现100-400位量子电路算法的单幅和多幅模拟，为以下领域提供模拟支持。未来量子计算的发展。

刘欣介绍，起初研究团队想用全幅模拟的方法来设计模拟器，但这需要太多的内存。后来，他们将设计思路调整为基于张量网络收缩法的单幅值模拟，即牺牲部分时间复杂度，寻找空间复杂度可接受的近似最优路径。一开始的性能结果并不理想，后来团队改进了方法，将计算速度提高了 100 多倍。

这个高度平衡的最优解困扰了团队很长时间，连续组织了三个算法研究。刘欣记得，在周会上，大家议论纷纷，甚至争论不休，都觉得自己是对的。最终，一个团队成员的提议让大家觉得眼前一亮，于是朝着这个方向进行了试验和改进，最终得到了想要的结果。

获奖的喜讯过后，队员们共进了丰盛的晚餐。庆祝之余，大家纷纷发表了自己从事这项工作以来的收获和体会。3小时的晚餐时间，大家回忆了研发过程中的各种经历。故事，包括那些“没有人想和任何人交谈”的学术遭遇。现在，每个人都可以有意识地微笑，轻松地放手。

探索未知本身就是幸福

11月15日，中国获奖团队参加了美国德克萨斯大学奥斯汀分校著名量子信息科学家、计算机科学教授Scott Aaronson的专题小组会议，并作了报告，后者表示，“这是一个非常有趣的工作，我很想看到经典计算和量子计算的融合发展。”

这项工作的所有研究都是在 2020 年 COVID-19 疫情期间开始的。当时，团队中的大多数人“从未做过量子计算”，最初的工作是从调查国际相关研究开始的。

论文共同通讯作者、清华大学地球系统科学系教授、国家超算无锡中心副主任傅浩欢介绍，在传统超算上实现如此高度复杂的问题，引发了团队的算法、并行方法、方法优化创新等方面的努力。

“当然桶排序算法时间复杂度，我们更看重的是真正在最先进的量子计算机和最先进的超级计算之间架起一座桥梁，让它们相互促进、相互合作、相互融合。” 傅好欢说道。

2021年7月上旬，在团队的研究成果被国际计算机学会通报入围“戈登·贝尔”奖后，团队决定进一步优化计算性能，主要针对谷歌的仿真算法进行优化和改进。 《量子霸权》随机电路。付好欢说，团队成员每天讨论和碰撞几次，灵感源源不断，想法层出不穷，每天进步很快。影响。

颁奖当晚，团队只派了一名代表观看直播，其他成员则安详入睡。北京时间11月19日凌晨3点，当听到评委会主席马克·帕森斯说出团队论文的第一个英文单词“Closing”时，团队代表立即确认了自己的心声。最好的结果——中奖了！

一位获奖团队的核心成员发了一条朋友圈：感谢您对我们合作伙伴的信任和支持。探索与灵感一路碰撞。虽然过程很艰难，但探索未知本身就是幸福。

获奖并不是研究的结束，算法优化仍在进行中。刘欣告诉中青报、中青报记者，团队发现算法的优化空间还是很大的，“至少还有两个数量级以上的优化空间”。