清华大学第三次斩获“戈登·贝尔”奖

美国时间11月18日下午，2021年度“戈登·贝尔”奖的谜底在密苏里州圣路易斯举行的全球超级计算大会(SC21)上揭晓，中国超算应用团队凭借“超大规模量子随机电路实时模拟”成果(Closing the Quantum Supremacy Gap:Achieving Read-Time Simulation of a Random Quantum Circuit Using a New Sunway Supercomputer )(简称“SWQSIM”)获此殊荣。该团队由来自之江实验室、清华大学、国家超级计算无锡中心、上海量子科学研究中心等机构的14名成员组成。他们分别是来自清华大学及国家超级计算无锡中心的付昊桓、陈德训，之江实验室及国家超级计算无锡中心的刘勇、刘鑫、李芳、杨雨灵、宋佳伟、赵朋朋、王臻、彭达佳、陈华蓉，国家超级计算无锡中心的吴汶钊，上海量子科学研究中心的黄合良、郭楚。其中，刘鑫、付昊桓、郭楚、陈德训为共同通信作者。

清华超算团队作为核心成员之一，第三次获得该奖。清华团队的主要贡献包括研究框架的设计和梳理，以及量子电路模拟中复杂tensor的性能优化。

获奖项目

研究团队基于新一代神威超级计算机，研发了量子计算模拟器SWQSIM，提出近似最优的张量网络并行切分和收缩方法及混合精度算法，可高效扩展至数千万核并行规模，并提供每秒4.4百亿亿次的持续计算性能，是超算领域全世界目前已知的最高混合精度浮点计算性能。与“悬铃木”200秒完成0.2%保真度的百万采样任务相比较，“顶点”需要一万年完成同等复杂度的模拟，SWQSIM则可在304秒以内得到百万更高保真度的关联样本，在一星期内得到同样数量的无关联样本，打破其所宣称的量子霸权;该软件还可在60小时内完成比“悬铃木”更加复杂的1000多倍的量子电路模拟，实现100～400比特量子电路算法的单振幅和多振幅模拟，为未来量子计算的发展提供了坚实的模拟支撑。

付昊桓(左二)与吴汶钊(右一)等团队成员讨论优化方案

该工作的共同通信作者，清华大学地球系统科学系教授、国家超级计算无锡中心副主任付昊桓介绍说，“目前的复杂量子电路，保真度还比较低。以谷歌的悬铃木系统为例，一百万个样本中，仅能保证两千个左右的有效样本。像SWQSIM这样，具备近实时的模拟能力的量子电路模拟器，可以为量子计算机未来的发展提供强大助力。另外一方面，对于传统超算而言，新型量子计算机所形成的‘量子霸权’，就如我们论文里写到的，是‘他山之石，可以攻玉’。在传统超算上实现这样一个复杂度极高的问题，触发了团队在算法、并行方法、优化方法等等各个方面的创新。当然，我们更看重的，是真正建立了最先进的量子计算机和最先进的超算之间的桥梁，让它们可以相互促进，甚至相互融合。”

吴汶钊表示，此次获奖的研究成果，超越了现阶段随机量子电路模拟的世界最好水平，体现了新一代神威超算的实力，对于支持未来量子系统的研发，加速实现更复杂、更实用的量子计算系统的设计和过程具有重要意义。吴汶钊曾是清华大学地学系的一名硕士研究生，由付昊桓指导，毕业后赴国家超级计算无锡中心工作。自2020年开始负责神威平台深度学习框架的开发工作。提及所学知识与实践应用的关系时，吴汶钊提到，“在地学系学习期间，系里一直鼓励学科交叉，让我可以将所学知识不断尝试运用至新的领域中。”

“戈登·贝尔奖”是国际高性能计算应用领域的最高奖项，2016年、2017年，付昊桓参与的大气动力方程求解器以及领衔的非线性地震模拟工作，因高效实现了模型的大规模并行扩展，并大幅提升了时空分辨率和关键现象刻画能力，实现了中国近30年来在这个奖项上零的突破和蝉联。

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