原標(biāo)題：量子模擬賽題，讓大學(xué)生認(rèn)識未來計(jì)算發(fā)展方向

2020 ASC世界大學(xué)生超算競賽初賽階段已經(jīng)正式啟動，來自全球的300多支高校參賽隊(duì)將挑戰(zhàn)當(dāng)下最潮流的應(yīng)用量子計(jì)算，使用超級計(jì)算機(jī)模擬并優(yōu)化量子模擬算法，并盡可能地降低計(jì)算需求。這道賽題由鵬城實(shí)驗(yàn)室、高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合支持。

可能很多人想問，今年ASC競賽為何設(shè)置這一賽題？量子計(jì)算與超算又有何聯(lián)系？下面我就來做一個(gè)解答。

量子計(jì)算：下一代計(jì)算發(fā)展方向

超算對科學(xué)發(fā)展的作用不言而喻，但超算的計(jì)算能力雖然增長很快，卻依然無法滿足人們的需求。而且，超算基于經(jīng)典半導(dǎo)體芯片，不可能無限的發(fā)展下去。因此，直接使用基于量子行為的量子計(jì)算就成了后摩爾定律時(shí)代的最有可能的計(jì)算發(fā)展方向，也是最有潛力的計(jì)算方式。目前已知的一些量子算法相較于經(jīng)典算法表現(xiàn)出了量級或指數(shù)級的加速。

量子計(jì)算已經(jīng)成為計(jì)算科學(xué)的最前沿、世界各國爭搶的技術(shù)高地。近年來量子計(jì)算的研究取了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，去年10月底，谷歌在《自然》雜志上發(fā)表使用53個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)的量子霸權(quán)，展示了量子計(jì)算強(qiáng)大的優(yōu)勢。

量子模擬：研究量子計(jì)算的重要方法

然而由于量子比特的敏感性，使得量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展非常緩慢，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造出的量子計(jì)算機(jī)僅僅是雛形，而且也不穩(wěn)定?？茖W(xué)家們很難使用真正的量子計(jì)算機(jī)來更深入的研究粒子物理建模、密碼學(xué)、基因工程、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等重大問題。為了研究量子算法，最好的辦法就是量子模擬，也就是使用經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)來模擬量子計(jì)算，它為人類在真正的量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前研究量子算法提供了一個(gè)可靠的平臺。

但是量子模擬對計(jì)算和內(nèi)存的需求巨大，計(jì)算量和內(nèi)存量與所模擬的量子比特?cái)?shù)成2的冪次方的關(guān)系，因此即使是現(xiàn)今最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)也僅能模擬 50多個(gè)量子比特。在這種情況下，如何更高效地簡化計(jì)算、優(yōu)化內(nèi)存，以及大規(guī)模高效地使用超算，是量子計(jì)算模擬需要重點(diǎn)考慮的課題。

競賽首設(shè)量子模擬賽題

2020 ASC世界大學(xué)生超算競賽首次設(shè)置了前沿的量子計(jì)算模擬賽題，各參賽隊(duì)伍需要在經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)上使用QuEST軟件，模擬使用30個(gè)量子比特組成的量子隨機(jī)線路和量子快速傅里葉變換量子線路。這對計(jì)算和內(nèi)存有一定的需求，要求參賽學(xué)生不僅具備扎實(shí)的超算基本功，還必須對量子計(jì)算的背景、原理和基礎(chǔ)知識有較深入的認(rèn)識，從而找到合適的優(yōu)化方法，盡可能地縮短程序的運(yùn)行時(shí)間或降低對計(jì)算資源的依賴。

ASC20選用的QuEST量子計(jì)算模擬器是世界上較早開發(fā)出來的量子計(jì)算模擬程序之一，具有較強(qiáng)的代表性。賽題涉及知名的量子算法所對應(yīng)的量子線路模擬，有助于激發(fā)參賽隊(duì)員對量子計(jì)算、量子算法、量子模擬的興趣。希望參賽隊(duì)員充分發(fā)揮聰明才智，勇于挑戰(zhàn)和創(chuàng)新，分析和研究如何優(yōu)化程序以更高效地完成量子計(jì)算模擬，認(rèn)識和了解未來計(jì)算發(fā)展的方向。

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