四年前，谷歌工程師夸耀自己實現了“量子霸權”，實驗表明其 53 量子位 Sycamore 量子系統解決了傳統超級計算機無法解決或需要很長時間才能解決的問題。當時，谷歌在量子領域受到了競爭對手的圍攻，IBM等競爭對手表示，所承擔的工作并不太復雜，可以通過傳統系統來解決，盡管可能需要更長的時間。

但量子計算的承諾——對于能夠解決一系列當前不可能的復雜問題的科學家和研究人員，以及對于即將進入一個非常有前途和潛在利潤豐厚的增長領域的硬件和軟件供應商來說——確保了這項工作將繼續下去，即使面對批評和挑戰。

因此，在研究發表后，谷歌再次宣揚量子霸權，該研究表明下一代 Sycamore 系統（具有 70 個量子位和比前一代強大 2.41 億倍的量子處理器）可以超越現有的量子處理器。世界上最強大的超級計算機，運行的計算需要橡樹嶺國家實驗室的大型 1.68 exaflops“Frontier”系統需要 47 年才能完成。

這是4 月份在 ArXiv 網站上發表的一篇論文中概述的研究的一個關鍵目標，但該論文于本月首次撰寫，谷歌研究人員寫道，“量子計算機有望執行超出經典計算機能力的任務”，并補充道通過該實驗，“我們根據改進的經典方法估計了計算成本，并證明我們的實驗超出了現有經典超級計算機的能力。”

量子計算已經被談論了幾十年，但該領域仍有很長的路要走。具有一百萬或更多量子位的全功能、糾錯量子系統可能需要十多年的時間才能啟動并運行。這還沒有考慮到它面臨的各種其他挑戰，從將系統成本和計算時間降低到使其在經濟上值得的水平，到開發在其上運行的軟件，再到找到足夠的技術人員來構建和部署管理他們。

還有關于如何使用它們的問題，至少在最初是這樣。它們會是獨立的系統嗎？在云端運行？作為經典與量子混合體的一部分，承擔傳統超級計算機無法承擔的工作負載？該行業還可能必須選擇供應商用來創建量子位（驅動量子系統的引擎）的幾種不同模式。

盡管如此，仍有大量工作正在進行，其中包括谷歌、IBM、微軟、AWS和英特爾等 IT 巨頭以及眾多規模較小的公司和初創公司。甚至其他行業的組織也在這一領域開展工作：金融服務公司富達正在其應用技術中心研究量子技術。雖然像谷歌這樣的結果是漸進的，但它們表明正在取得進展，并暗示了工作的進展方向。

IBM 和加州大學伯克利分校上個月推出的聯合研究就是一個例子，該研究表明，即使仍處于實驗階段，量子系統也可以優于傳統系統。雙方的科學家在 IBM 的 127 量子位量子“Eagle”處理器上對復雜的物理模擬工作負載進行了計算，即使沒有所需的容錯量子電路（處理器尚未準備好）來抑制可能影響的噪聲。量子位——和經典系統。

研究人員在研究報告中寫道：“我們報告了在嘈雜的 127 量子位處理器上進行的實驗，并演示了對電路體積的準確期望值的測量，其規模超出了暴力經典計算的范圍。” “我們認為，這代表了量子計算在前容錯時代的實用性的證據。”

谷歌研究的目的也與此類似，研究人員撰寫了“加劇的量子經典競爭”的文章。

他們寫道：“最近的 RCS（隨機電路采樣）實驗凸顯了計算復雜性和噪聲之間的相互作用，從 2019 年的 53 量子位 Sycamore 量子處理器開始。” “從那時起，已經報道了擴大系統尺寸和降低噪聲的類似實驗，而經典算法也取得了實質性進展。”

他們寫道，這項研究旨在解決兩個主要問題：“實際上，噪聲量子處理器利用指數級大希爾伯特空間的區域是否存在明確定義的邊界？更重要的是，我們能否建立一個直接探測這些邊界的實驗可觀察對象？”

研究人員在第二代 Sycamore 系統上進行了 RCS 實驗，該系統包括 24 個周期的 70 個量子位，并確定了他們所說的由噪聲和量子動力學之間的相互作用推動的“不同階段”。他們使用所謂的“具有交叉熵基準的有限尺寸研究 [XEB]”確定了階段的邊界。量子動力學和噪聲之間的相互作用可以導致相位。

谷歌表示，其結果是一個量子系統，其性能顯著優于世界上第一個經過認證的百億億次系統 Frontier。該龐大系統基于 Hewlett Packard Enterprise 的 Cray EX235a 系統，并由定制的“Trento”Epyc CPU和“Aldebaran”Instinct MI250X GPU 加速器提供支持。它擁有近 870 萬個核心，包括 HPE 的 Slingshot-11 互連，并提供 1.194 exaflops 的性能。

根據谷歌的研究，Frontier 需要 6.18 秒才能運行 53 量子位 Sycamore 系統可以立即完成的相同計算。與 70 量子位的下一代 Sycamore 相比，這個數字達到 47.2 年。研究人員寫道，實驗表明，即使是嘈雜的量子系統，運行某些計算的速度也比最強大的經典超級計算機要快得多，并提供了“關于量子動力學如何與噪聲相互作用的直接見解”。“觀察到的相邊界為噪聲量子設備可以正確利用其計算能力的 7 種狀態提供了定量指導。”

也就是說，目前的量子領域仍然面臨著我們上面提到的一些挑戰。他們寫道：“展望未來，盡管 RCS 迄今為止取得了成功，但為近期噪聲量子處理器尋找實際應用仍然是一個嚴峻的挑戰。”

這與阿貢國家實驗室環境與生命科學計算副實驗室主任 Rick Stevens 5 月份所說的在談論 HPC 中的任何事情時都需要耐心的態度相呼應。這包括從澤塔尺度系統到本例中的量子系統的一切。阿貢國家實驗室今年將啟用 HPE 設計的另一款百億億次系統“Aurora”，但該系統基于英特爾的“Sapphire Rapids”Xeon SP CPU 和“Ponte Vecchio”Max 系列 GPU。

史蒂文斯在一次網絡研討會上表示，Frontier 花了十五年的時間才上線，而 zettascale 和量子系統可能還需要 15 到 20 年的時間。

HPC的道路是一條漫長而曲折的道路。

“這是一場長期的游戲，”他說。“如果您對明年發生的事情感興趣，那么 HPC 不適合您。如果您想以十年或二十年的角度思考，HPC 就是您的最佳選擇。。。。現在還只是早期階段。我們還有很長的路要走，所以我們必須思考，十年后高性能計算意味著什么？二十年后這意味著什么？”