標題改八回、玩諧音梗！打破“量子霸權”的超算應用是怎樣煉成的

付昊桓，現任國家超級計算無錫中心副主任、清華大學地學系長聘教授。“80後”的他，身上有個“超算青年”的標籤。這個標籤不簡單：中國超算應用團隊迄今共4次（含國際合作1次）摘得有著“超算應用領域的諾貝爾獎”之稱的“戈登貝爾獎”，付昊桓3次深度參與其中。

作為獲獎團隊代表，付昊桓於1月20日作客科學網直播間，在接受《中國科學報》獨家訪談過程中，分享了該團隊挑戰這一應用背後的逸聞趣事。

付昊桓 本人供圖

“在別人劃定的戰場去對壘”

《中國科學報》：你們團隊摘得2021年度戈登貝爾獎的超算應用，聽上去很震撼：打破了谷歌當年所宣稱的“量子霸權”。團隊當初為何要去做對標量子計算的這個超算模擬？

付昊桓：首先，“量子霸權”現在被越來越多地翻譯成“量子優越性”。從計算的視角來看，量子計算機在一些特定的場景下，能體現出對超級計算機的巨大優勢，隨機量子線路取樣就是其中一個。

谷歌量子計算機“懸鈴木”問世的時候，宣稱它隨機量子線路的取樣速度，比當時最快超級計算機（美國“頂點”超算）快10億倍，實現同等規模的取樣所用時間，是200秒對“一萬年”。這個數字很嚇人，以至於谷歌當初提出“量子霸權”的時候，很多人過來問我，說超算還是不是超級計算機？是超級慢嗎？

《中國科學報》：所以研究團隊有必要去對標它。

付昊桓：我們為什麼選擇這個題目來做？首先我們覺得量子計算機是一種非常有潛力的計算正規化，但它也需要傳統計算機的模擬支撐。比如谷歌“懸鈴木”的取樣，它在量子尺度的操控在多個量子位疊加之後，有很大誤差，保真度只有0.2%左右。用超算模擬出來一個取樣結果，可以為量子計算機的結果提供一個對比標準。事實上，它也確實需要這樣一個比照。

其實選這樣一個題，也是極富挑戰的——畢竟要在“別人劃定的戰場去對壘”，不過我們覺得做出來的話，對超算的演算法和應用也有促進作用。事實也正是如此，我們在題目中用到的張量網路收縮技術可以用於其他很多領域。另外，我們也順帶手地證明了，超算還是很快的。

八易論文題目，作者英文名有“諧音梗”

《中國科學報》：用超算挑戰量子計算機。你們是不是也倍感壓力？

付昊桓：其實對於我們的應用能不能實現，從開始的時候心裡是沒底的。你可能想象不到，我們當時投稿的那篇論文，光題目就修改了八次。

最終論文題目的表述是“Closing the ‘Quantum Supermacy’ Gap”（可譯為：“彌合‘量子霸權’鴻溝”）。但起初我們不是這個題目，最開始是“Measuring the ‘Quantum Supermacy’ Gap”（可譯為：“丈量‘量子霸權’鴻溝”），後來改成了“What is exactly…”，還改成過“Minimizing the ‘Quantum Supermacy’ Gap”（可譯為：“縮小‘量子霸權’鴻溝”）。後來我們一步步做起來，才確定了最後的題目。

現在想想，這個過程還是挺有意思的。

《中國科學 報》：在這個過程中，還有哪些讓你難忘的趣事？

付昊桓：有很多。比如我們當時論文發表時，特地保留了前三位作者的英文名，分別是Alexander、Lucy、Nancy，他們分別是我們的首席軟體架構師劉勇博士、團隊負責人劉鑫博士和同樣來自無錫超算的團隊成員李芳博士。這三位的英文名翻譯成中文的諧音分別是“亞歷山大” （諧音“壓力山大”） 、“露西” （諧音“路兮”，取自“路漫漫其修遠兮”） 、“南希” （諧音“難兮？”） 。

2021戈登貝爾獎論文作者署名

保留這3個有“諧音梗”的英文名，我們覺得這是對團隊在這個過程中不斷探索的一個生動反映。其實我們這個交叉團隊也正是在這種探索中逐漸形成和展開合作的。

我在剛剛加入團隊的時候，還去清華大學的圖書館借了好幾本講量子計算的教材，在網上找了一些教程，學習了很多新東西。我們最終的設計，也借鑑了後阿里達摩院的量子計算團隊、中科院理論物理所的張潘老師團隊等很多同領域的工作。

量子計算不會衝擊超算，二者有合作潛能

《中國科學報》：量子計算機的發展會衝擊超級計算機的發展嗎？

付昊桓：量子計算機的發展談不上、也不會衝擊超算的發展，兩者的發展是並行不悖的。

如前述所言，我們的超算應用證明了確實有能力做量子計算所擅長的問題的模擬，也正表明了超算的演算法模擬能夠為量子計算的發展提供一定的輔助和促進。這也正是我們的初衷，否則量子計算的專家（參與團隊中有上海量子科學研究中心）也不會參與到我們這個專案中來。

《中國科學報》：你們摘得2021年度“戈登貝爾獎”的應用中，是否啟示了量子計算跟傳統超算有相互促進的態勢？

付昊桓：沒錯。相比於所謂的“衝擊”，其實我們更關注在可見的未來，有可能實現超算系統與量子計算之間的連線或互動。

從我們超算應用的結果來看，二者之間速度差異沒有“傳說”中那麼大，這也給我們信心覺得，超算跟量子計算存在合作的潛能。現在我們知道的是，量子計算在一些特定場景有優勢，超算也有它擅長的領域，如果兩者互補，會有更多更有意思的東西出來。

獲獎背後有許多“無名英雄”

《中國科學報》：近幾年中國超算應用在“戈登貝爾獎”這一“舞臺”大放異彩，你在幾次獲獎中也參與甚多。從專業視角，這是一個什麼樣的獎項？

付昊桓：戈登貝爾獎最初是由戈登·貝爾1987年設立的一項鼓勵平行計算應用的獎項，後來在2006年與國際計算機協會（ACM）合作，由後者負責獎項的管理與運維。戈登貝爾獎強調的是，如何使用頂尖的超級計算機解決一個科學、工程或大規模資料分析的應用難題。這反映了超算的典型特點，逐漸成為高效能運算應用領域的標杆。

要衝擊戈登貝爾獎，有兩個重要的方面：是否調動了頂尖超級計算機全系統之力，是否解決了科學或工程等應用上的一個難題並有所創新。可以說，近年來我國超算的發展為我們提供了衝擊這一獎項的必要條件。

《中國科學報》：在2016、2017、2021這幾年的戈登貝爾獎中都有你的身影，可以說是“常客”了。能否總結一下有哪些獲獎的訣竅？

付昊桓：首先我覺得我非常幸運，能夠遇到這些優秀的合作者。以2021年度為例，我們是一個14人組成的團隊，領域非常交叉。很多超算應用其實都是很複雜的問題，要取得突破需要多學科交叉思維，需要不同領域專家的共同參與。其實我們每一年去衝擊戈登貝爾獎的應用背後，都有多家單位合作。

在交叉問題挑戰的基礎上，我們還要實現應用模型在超算上的高效運轉，這是超算上下層的“交叉”。比如“神威·太湖之光”是全球第一臺每秒10億億次浮點運算能力的超算，它有上千萬核。而要協調千萬核去做一件事，需要高度系統性的設計與實現。

當然，我們能夠衝擊戈登貝爾獎最大的基礎，在於我國超算系統有了一個長足的發展，在硬體層面實現了許多科學和工程上的突破。可以說，超算硬體研製方、系統維護方等等都在背後起到了非常大的作用、作出了自己的貢獻。所以，戈登貝爾獎是屬於大家的、也屬於中國超算背後的無名英雄們。

快問快答：

Q1、你在超算模擬地震方面做了很多工作，超算能預報地震嗎？

A：不能，但模擬地震對於我們瞭解地質結構及活動有很大幫助。

Q2、湯加海底火山爆發引世界矚目，超算能模擬它的影響嗎？

A：現在已經有氣候領域的同行給出相應的估算，目前看可能對氣候影響不會太大。

Q3、獲得“戈登貝爾獎”意外嗎？獲知得獎後第一時間是與誰分享的？

A：每一次都很激動，畢竟每個入圍的都有可能。第一時間把這個訊息以照片的形式傳送到了團隊的專案合作群。

Q4、成果被兩院院士評選為“2021年度國內十大科技進展新聞”，最想表達的是什麼？

A：感謝不同領域的科學家對這項工作的認可。

Q5、中國超算未來發展的兩個關鍵詞？

A：自主可控、交叉人才培養。