量子模拟赛题让大学生认识未来计算发展方向

  2020 ASC世界大学生超算竞赛初赛阶段已经正式启动,来自全球的300多支高校参赛队将挑战当下最潮流的应用量子计算,使用超级计算机模拟并优化量子模拟算法,并尽可能地降低计算需求。这道赛题由鹏城实验室、高效能服务器和存储技术国家重点实验室联合支持。

  可能很多人想问,今年ASC竞赛为何设置这一赛题?量子计算与超算又有何联系?下面我就来做一个解答。

  

  高效能服务器和存储技术国家重点实验室 刘羽博士

  量子计算:下一代计算发展方向

  超算对科学发展的作用不言而喻,但超算的计算能力虽然增长很快,却依然无法满足人们的需求。而且,超算基于经典半导体芯片,不可能无限的发展下去。因此,直接使用基于量子行为的量子计算就成了后摩尔定律时代的最有可能的计算发展方向,也是最有潜力的计算方式。目前已知的一些量子算法相较于经典算法表现出了量级或指数级的加速。

  量子计算已经成为计算科学的最前沿、世界各国争抢的技术高地。近年来量子计算的研究取了突飞猛进的进展,去年10月底,谷歌在《自然》杂志上发表使用53个量子比特实现的量子霸权,展示了量子计算强大的优势。

  量子模拟:研究量子计算的重要方法

  然而由于量子比特的敏感性,使得量子计算机的发展非常缓慢,目前已经设计和制造出的量子计算机仅仅是雏形,而且也不稳定。科学家们很难使用真正的量子计算机来更深入的研究粒子物理建模、密码学、基因工程、量子机器学习等重大问题。为了研究量子算法,最好的办法就是量子模拟,也就是使用经典的超级计算机来模拟量子计算,它为人类在真正的量子计算机出现之前研究量子算法提供了一个可靠的平台。

  但是量子模拟对计算和内存的需求巨大,计算量和内存量与所模拟的量子比特数成2的幂次方的关系,因此即使是现今最强大的超级计算机也仅能模拟 50多个量子比特。在这种情况下,如何更高效地简化计算、优化内存,以及大规模高效地使用超算,是量子计算模拟需要重点考虑的课题。

  竞赛首设量子模拟赛题

  2020 ASC世界大学生超算竞赛首次设置了前沿的量子计算模拟赛题,各参赛队伍需要在经典超级计算机上使用QuEST软件,模拟使用30个量子比特组成的量子随机线路和量子快速傅里叶变换量子线路。这对计算和内存有一定的需求,要求参赛学生不仅具备扎实的超算基本功,还必须对量子计算的背景、原理和基础知识有较深入的认识,从而找到合适的优化方法,尽可能地缩短程序的运行时间或降低对计算资源的依赖。

  ASC20选用的QuEST量子计算模拟器是世界上较早开发出来的量子计算模拟程序之一,具有较强的代表性。赛题涉及知名的量子算法所对应的量子线路模拟,有助于激发参赛队员对量子计算、量子算法、量子模拟的兴趣。希望参赛队员充分发挥聪明才智,勇于挑战和创新,分析和研究如何优化程序以更高效地完成量子计算模拟,认识和了解未来计算发展的方向。

  

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