首次曝光！谷歌量子计算机芯片长这样

谷歌关于量子计算机的论文已经发表，我们现在通过橡树岭实验室的文章介绍，来了解更多背后的故事。橡树岭国际实验室属于美国能源部，目前全球最快的超算Summit正是坐落于此，而2021年左右，它将建成新的超算，将是全球第一台EB级超算。

谷歌总裁Pichai与量子计算机

由Google.，NASA Ames研究中心和美国能源部的橡树岭国家实验室组成的联合研究小组已经证明，量子计算机在某些任务上可以胜过传统计算机，这一壮举被称为量子霸权。

量子计算机使用量子力学定律和称为量子位的单位大大提高了可以传输和处理信息的阈值。传统的“位”的值为0或1，而qubit则同时使用0和1的值或其任意组合进行编码，从而为存储数据提供了多种可能性。

量子系统虽然仍处于早期阶段，但其潜力可能会比当今领先的经典计算系统强大得多，并有望彻底改变材料，化学，高能物理以及整个科学领域的研究。研究小组的结果在《自然》杂志上发表，提供了量子霸权的概念证明，并建立了解决时间和能量消耗的基线比较。

美国能源部科学局副局长保罗·达巴（Paul Dabbar）表示：“量子霸权的成就证明了美国创新的力量，美国能源部的实验室正在帮助并引领这一突破性的研究领域。”“对量子技术的掌握正在创造一个新的信息时代，它提供了处理信息的新方法，从而使科学和社会受益。”

由Google制造并被称为Sycamore的量子计算机由53个量子位组成。经典计算机是ORNL的Summit，位于橡树岭领导力计算设施（OLCF）中，由于拥有4600多个计算节点，因此被誉为全球功能最强大的计算机。

橡树岭实验室的程序员Dmitri Liakh编写了运行在Summit超算上的程序，用来比较超算与量子计算性能的差别

两种系统均执行称为随机环路采样（RCS）的任务，该任务专门用于测量Sycamore等量子设备的性能。在量子计算机上，仿真耗时200秒。在Summit上运行相同的模拟后，研究小组推断，该计算将花费超过10,000年的时间来使用当今最先进的算法来完成世界上最强大的系统，从而为设计提供了量子至上性和关键信息的实验证据未来的量子计算机。不仅Sycamore的速度比传统的Sycamore快，而且能源效率也高出约1000万倍。

谷歌的量子计算机处理器芯片Sycamore

研究人员还估计了单个组件的性能，以准确地预测整个Sycamore装置的性能，证明了量子信息在按比例放大时表现出一致的行为-这是设计大型量子计算机的必要属性。

这项实验证明，今天的量子计算机可以在基准测试方面胜过最好的传统计算。” ORNL研究人员和实验室量子计算研究所所长Travis Humble说道。“我们还尝试了其他方法，但是我们的团队是第一个在真实系统上证明这一结果的人。”

真正的系统至关重要。谷歌的研究人员和位于硅谷的美国宇航局艾姆斯研究中心试图利用美国宇航局的资源来解决这一问题，很快意识到他们需要一台功能更强大的计算机。没有比ORNL的Summit更强大的功能了。

将量子计算移植到经典的Summit中并不是一件容易的事。 RCS模拟器称为qFlex，最初包括仅CPU计算的版本。然而，Summit从NVIDIA图形处理单元（GPU）中获得了世界一流的速度，该GPU解决了计算密集型数学问题，而CPU有效地辅助了任务。

由OLCF的Dmitry Liakh开发的库，用于在多核CPU和GPU上执行张量代数运算，从而使团队能够利用Summit的全部功能，再加上IBM系统每个节点512 GB的内存，提高了仿真速度，与纯CPU的版本想，速度增加了两倍。

“可以在ORNL的Summit上运行的模拟实验证明了下一代等量子体系结构的有效性，这表明该实验室长期以来一直在加速计算创新，并证明了经典超级计算机在实现量子计算潜力方面的必要性，” ORNL联合实验室计算与计算科学总监Jeff Nichols说。

ORNL的Titan是首个利用GPU的功能的领导力计算系统，使其能够在2012年首次亮相，并一直保持到2018年全球功能最强大的十大系统之一。Titan的成功促成了Summit的发展，扩展将推动Frontier的设计，该产品将于2021年交付时成为美国首批百亿亿级计算机之一。