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超算-量子计算融合架构,迈向实用化的量子计算

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为便于公众理解当前的量子计算机发展水平,《欧洲量子计算和量子模拟基础设施》白皮书将传统工业品的“技术成熟度等级表”(TRL,Technology Readiness Levels)与描述量子计算的“量子技术成熟度等级表”(QTRL,Quantum Technology Readiness Levels)进行了横向对比,并为欧洲主流的量子计算机进行了分类。

水平如何?欧洲主要量子计算机技术成熟度

(量子技术成熟度等级表。图片来源:尤利希研究中心)

按照传统工业品的标准,一台达到QTRL 9级别(实现了量子优越性),但需要部署在实验室被用户远程访问的量子计算机仍不是一个成熟的商业产品,仅能达到传统工业品TRL 5级别(技术在相关环境中得到验证)。而一台QTRL 5级别(无纠错能力的小规模量子处理器),但能提供工程化解决方案的量子计算机仍可被认为达到了传统工业品TRL 8或9的级别(完成实际系统的使用验证)。

(技术成熟度登记表。图片来源:知乎)

根据白皮书的评价标准,奥地利AQT公司研发的离子阱量子计算机目前已达到了QTRL 5级别,能够实现无纠错能力的小规模量子处理器;并达到了传统工业品TRL 6-7的级别,实现了相关环境下的系统或样机验证。

(欧洲量子计算平台QTRL和TRL对比。图片来源:qt.eu)

在中性原子量子计算路线上,法国Pasal公司达到了QTRL 5、TRL 6-7的级别。在超导量子计算路线上,多个欧洲国家均进行了布局,但在技术成熟度上进展不一,也均未达到中美两国实现的QTRL 9级别水平(实现量子优越性)。

在半导体硅基量子计算路线上,法国依托CEA-Leti实验室和法国国家科学研究中心进行了重点布局,但目前仍处在前期研发阶段,并没有成熟的产品推出。而中国在此领域由本源量子与中科院量子信息重点实验室进行联合研究,已推出2比特硅基半导体量子点处理器,预计将于今年上线中国首台半导体量子点的量子计算机。

从报告中可以看出,欧洲在量子计算机的研发竞赛中已落后于中美,目前并无实现QTRL 9级别(实现量子优越性)的整机产品。但欧洲各国有着成熟完备的工业基础,尤其是英国的牛津仪器和芬兰的Bluefors掌握着稀释制冷机这一关键技术,法国、比利时等国有着先进的集成电路研发中心,随着欧洲各国研发力度不断提升,欧洲在全球量子计算版图上的竞争力也将以肉眼可见的速度提升。

量子-经典混合架构,迈向实用的量子计算

白皮书指出,当前实际应用的量子计算机将以量子-经典混合计算系统的形式深度整合到经典的超级计算机中。量子计算机将作为经典超级计算机的加速器,在某些特定问题上大幅度缩小经典计算机的计算范围,加快整个系统的处理速度。为了释放量子-经典混合计算的潜力,必须将两个系统的利益相关群体聚集在一起,并发挥协同作用。目前,欧洲多个超算中心已开展了量子-经典计算系统的研发。

2022年1月,法国政府宣布启动全国量子计算平台,将以CEA运行的超大型计算中心(TGCC)为载体,与传统计算机系统和量子计算机交互操作,平台将供国际社会的研究机构、初创企业和行业合作伙伴使用。

西班牙巴塞罗那超级计算中心(BSC)为研究基于张量网络的大规模量子电路开发了一个高性能计算机群(HPC)模拟器,提出使用机器学习工具对混合量子-经典电路进行算法优化。应用小型量子电路的优化来研究凝聚态系统的物理特性,并计划安装量子硬件以开发真正的混合-量子计算的系统。

德国尤利希超级计算中心(JSC)和莱布尼茨超算中心(LRZ)均已将量子计算纳入中心业务,2022年1月,尤利希超级计算中心(JSC)购入的D-Wave量子退火机已投入使用,为德国(以及欧洲地区)的研究人员们提供基于云端的各种量子系统的访问权限。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,并向法国Atos公司订购了量子学习机,同英特尔密切合作,以提高量子系统的扩展性。

全球聚焦,构建量子计算生态

白皮书重点指出欧洲应尽快打造量子计算生态,包括协同发展的量子计算开发者社区,支持建设用户社区,大力培养量子计算软硬件专业人才等诸多措施,以期让更多的上游开发者与下游用户加入其中。

图:量子计算全球开发者平台首页

构建量子计算生态在全球量子计算的发展中已成为常态。今年1月,本源量子与合肥大数据公司共同打造的量子计算全球开发者平台上线,面向全球量子计算爱好者和开发者,提供量子-经典协同的量子计算服务。量子计算全球开发者平台注重契合开发者的现实需求和未来发展,涵盖量子计算教育、量子计算编程、开发工具和量子计算应用四大模块。

平台网址:

https://developer.hflzsc.com/(建议PC端使用)

图:量子计算全球开发者平台国际版在线编程

量子计算教育板块提供丰富的在线教育资源,帮助量子计算初学者用户快速成长为量子计算专业开发者。量子计算编程板块,提供可拖拽式的图形化编程页面,方便用户上手学习,快速验证量子算法。量子计算开发工具板块则为量子计算开发者提供从量子编程语言到量子编程框架等全套开发工具,让开发者专注于量子计算编程场景,开发量子计算程序,最大化挖掘开发者的潜能。量子计算应用则展示了量子计算在各个行业的落地场景应用,包括金融、大数据、人工智能、生物医药等,一方面向公众展示量子计算良好的应用前景,另一方面也激发更多的从业者加入量子计算队伍中来,共同探索量子计算在各行业中的应用。

图:量子计算全球开发者平台量子计算应用板块

量子计算全球开发者平台为了用户能够使用先进的计算资源,合肥大数据公司建设的合肥先进计算中心(“巢湖明月”)为该平台量子虚拟机服务提供了强大的算力支持,同时,平台还搭载了基于本源量子自主研发的超导量子计算机“本源悟源”的真实量子计算服务。这也是国内超算中心与量子计算进行融合发展的积极探索。

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