量子计算机接入欧洲最快超算!芬兰加快混合架构算法开发

admin2024-05-15  0

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内容来源:量子前哨(ID:Qforepost)

文丨浪味仙  排版丨沛贤

深度好文:1900字丨7分钟阅读

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摘要:芬兰技术研究中心(VTT)与 CSC 展开合作,基于量子计算机+超算架构进行算法开发。芬兰的战略,就是力求在不远的将来展示更多量子优势的用例,在世界舞台上有所作为。

在量子计算机领域,当前一个主流观点是,一旦量子计算机规模足够,且计算结果可靠,能够真正解决现实问题,届时它的最佳定位,就是作为超算的加速器。目前已经开发出的几种量子算法,都是基于这种架构来运行,包括大名鼎鼎的肖尔算法。

近日,芬兰技术研究中心(VTT)与 CSC 展开合作,基于量子计算机+超算架构进行算法开发。CSC 是芬兰一家非营利性国有企业,作为国家研究体系的一部分,欧洲最快的超级计算机 LUMI 就运行在这里。

VTT 和 CSC 不断将性能越来越强大的量子计算机与超算 LUMI 相连,支持用户测试和开发基于量子+经典混合架构的算法:由经典计算机存储并执行大部分算法,特定步骤则交由量子计算机完成,最后读取结果。一些大学和研究机构已经开始使用混合架构来解决复杂的计算问题。

芬兰技术研究中心(VTT)的第一台量子计算机,推出于 2021 年,包含 5 个量子比特。两年后的 2023 年,量子比特数提升到 20,下一个目标是在 2024 年达到 50 个量子比特。

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2021年推出的 5 量子比特量子计算机(图片来源:网络)

“这有点像是未来的预演。”VTT团队的量子算法和软件开发负责人Ville Kotovirta说:“它催促开发超级计算机算法的人开始思考,当更强大的量子计算机与经典计算机一起工作时,他们还能够做什么。现在,他们可以在量子计算机+超算的架构组合中来练习算法编写。”

芬兰技术研究中心(VTT)是欧洲第一个建立量子计算机+超算混合架构的公司,不过更多机构正在效仿。2023 年 6 月,欧洲高性能计算联合企业(European HPC),选择了欧盟(EU)的6个地点(捷克,德国,西班牙,法国,意大利和波兰),来部署首批超算+量子计算机架构。

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身为 VTT团队量子算法和软件开发的负责人,Ville Kotovirta 还需要承担招聘工作,但这并不容易:当地对量子计算感兴趣的那些毕业生,过于缺乏实际经验;有经验且身在芬兰的人,大多都已有合适工作;而在芬兰以外地区的合适人才,并不愿意搬到气候寒冷的地方工作。只有极少数的行业热爱者,甘愿克服这种种困难。

“我们都在学习,因为这是一个新领域,而且它一直在变化。”Kotovirta说:“有新的发明、新的平台、新的设备、新的算法和新的编程方式,为了紧跟技术进步,我们尝试聘请更多的数学家、物理学家和计算机科学家。”

Kotovirta的团队正在为混合架构开发几种类型的算法。

一个是优化问题,称为二次无约束二元优化 (QUBO),可以使用量子退火或量子近似优化算法 (QAOA) 来解决。目前已经建立了量子算法来分析图数据、识别网络的社区结构。

另一个是开发量子化学算法,重点是降低分子哈密顿量的复杂性,以改进分子的模拟。同样,他们正在研究合成生物学,希望能够发现具有某些理想特征的新蛋白质。

还有一个重点领域是量子机器学习,尤其是量子生成机器学习,即能够从现有数据中学习以产生新样本的模型。

“大多数人都听说过‘虚假人工智能’背景下的生成式人工智能,它被用来创建欺诈类型的图像、文本和声音。”Kotovirta说:“这些相同的技术可以应用于科学,从已经存在的东西中学习以创造新的东西。我们正在寻找通过量子计算改进这些技术的方法,以合成新的蛋白质。”

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“最困难的部分,是证明量子计算机比经典计算机更有优势。”Kotovirta说:“现在的量子计算机是经过验证的计算机,它们可以进行真实的计算并解决真正问题。”

从这个角度来看,量子计算机已经在解决实际问题,只不过与经典计算机相比,效用还不明显。要想让量子计算机比经典计算机更有效地解决问题,就要提高量子比特的保真度。

保真度是指量子计算机中单个量子比特运算的成功率:保真度越高,整体计算的成功率就越高。目前,我们正处于一个嘈杂的中尺度量子(NISQ)设备时代,这表明量子计算机已经可以模拟经典计算机难以模拟的东西。但到目前为止,效用还称不上明显,以至于量子计算机还不能解决更多的实际问题。

“随着保真度的提高,我们正在接近效用规模算法、效用规模量子计算的时代。”Kotovirta表示:“当保真度足够高,它就能为我们提供经典计算机无法实现的结果,但也只是在特定的用例中。”

例如,一些算法可用于模拟与材料科学或化学相关的量子系统,在这些特定的用例中,就可以展示出量子计算的优势。芬兰的战略,就是力求在不远的将来展示更多量子优势的用例,在世界舞台上有所作为。

小国要与大经济体竞争并不容易,但依然有可能找到一个细分市场,从而在全球范围内的一个或多个特定领域做出贡献。

“在这方面,我们正在做正确的事情。”Kotovirta 表示:“希望我们将来能继续这样做。”

参考资料:

1、https://www.enccb.be/sites/www.enccb.be/files/2023-11/LUMI-BE-UserDay2023-Josephine_Wood.pdf

2、https://www.computerweekly.com/feature/Finland-develops-quantum-algorithms-for-the-future

3、https://interestingengineering.com/innovation/supercomputer-connected-to-a-quantum-computer

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