借助 NVIDIA cuQuantum 和 Xanadu 的 PennyLane，科學(xué)家們首次實(shí)現(xiàn)了超算規(guī)模的量子模擬加速。

有很多研究人員都致力于借助新的軟件，快人一步在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子計(jì)算模擬。美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的計(jì)算科學(xué)家兼機(jī)器學(xué)習(xí)小組負(fù)責(zé)人 Shinjae Yoo 就是其中之一。在距離長島大西洋海岸 10 英里處，他的“引擎”已經(jīng)發(fā)動(dòng)。

Yoo 的“引擎”，即美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的 Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)正在使用多倫多公司 Xanadu 的量子編程框架—— PennyLane 的最新版本。該開源軟件以 NVIDIA cuQuantum 軟件開發(fā)工具套件為基礎(chǔ)，使模擬能夠在搭載 NVIDIA GPU 的高性能集群上運(yùn)行。

像 Yoo 這樣的研究人員需要處理海量數(shù)據(jù)集，因此性能成為了關(guān)鍵要素。Yoo 將在搭載多達(dá) 256 顆 NVIDIA Tensor Core GPU 的 Perlmutter 上運(yùn)行程序，模擬約三十多個(gè)量子比特（量子計(jì)算機(jī)所使用的巨大計(jì)量單位）。

這大約是目前大多數(shù)研究人員所能模擬的量子比特?cái)?shù)量的兩倍。

強(qiáng)大且易用

加速量子系統(tǒng)大規(guī)模模擬的工作是復(fù)雜的，而多節(jié)點(diǎn)版 PennyLane 與 NVIDIA cuQuantum SDK 的結(jié)合能夠使其得以簡化。

Yoo 表示：“這種實(shí)踐打開了一扇大門，讓實(shí)習(xí)生也能運(yùn)行一些最大規(guī)模的模擬，也是我為之興奮的原因。”目前，他的團(tuán)隊(duì)有六個(gè)項(xiàng)目正在使用 PennyLane。

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的 Shinjae Yoo 準(zhǔn)備在

Perlmutter 超級(jí)計(jì)算機(jī)上擴(kuò)展他的量子工作。

他的工作是推動(dòng)高能物理和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展。還有其他研究人員致力于使用量子模擬，推動(dòng)化學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展水平至新高。

量子計(jì)算在企業(yè)研發(fā)中心也得到了應(yīng)用。

例如，Xanadu 正在幫助 Rolls-Royce 等公司開發(fā)量子算法，為可持續(xù)航空業(yè)設(shè)計(jì)最先進(jìn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，還幫助大眾汽車集團(tuán)發(fā)明更強(qiáng)大的電動(dòng)汽車電池。

Perlmutter 上的另外四個(gè)項(xiàng)目

與此同時(shí)，美國國家超級(jí)計(jì)算中心（NERSC）量子計(jì)算項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Katherine Klymko 表示，今年至少還有四個(gè)項(xiàng)目正在使用多節(jié)點(diǎn) Pennylane，其中包括美國國家航空航天局艾姆斯研究中心和阿拉巴馬大學(xué)的項(xiàng)目。

她表示：“化學(xué)領(lǐng)域的研究人員想要深入研究分子復(fù)合物，而這些分子復(fù)合物通常太大，以致傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理。而有了像 Pennylane 這樣的工具，他們就能夠擴(kuò)展目前在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上所做的工作，為最終在大型量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行算法做好準(zhǔn)備。”

融合 AI 與量子概念

PennyLane 來自于一個(gè)新穎的想法。它將反向傳播等常用的深度學(xué)習(xí)技術(shù)與 PyTorch 等工具應(yīng)用于量子計(jì)算機(jī)編程。

Xanadu 讓所設(shè)計(jì)的代碼能夠在盡可能多的不同類型的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，因此該軟件在 2018 年的一篇論文中被提出后，很快就在量子界引起了關(guān)注。

Xanadu 產(chǎn)品總監(jiān)、量子物理學(xué)家 Josh Izaac 回憶道：“我們的內(nèi)容吸引了大家，大家都因?yàn)榍把匮芯孔兊糜|手可及而十分興奮。”Izaac 是該論文的作者之一，同時(shí)也是 PennyLane 的開發(fā)者。

想要更多量子比特

負(fù)責(zé) PennyLane 性能的 Xanadu 高級(jí)量子軟件開發(fā)人員 Lee J. O'Riordan 表示：“我想要增加量子比特。”

O'Riordan 表示：“當(dāng)我們在 2022 年開始在單顆 GPU 上使用 cuQuantum 時(shí)，我們的整體速度幾乎提升了 10 倍……我們希望到今年年底能擴(kuò)展到 1,000 個(gè)節(jié)點(diǎn)，即 4,000 顆 GPU，這可能需要模擬超過 40 個(gè)量子比特。”

科學(xué)家們?nèi)栽谒伎妓麄兝眠@一性能能夠解決的問題——或者說他們希望解決的問題。

設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)的公司將利用量子計(jì)算機(jī)的性能提升來測試構(gòu)建更強(qiáng)大系統(tǒng)的想法。他們的工作推動(dòng)了 PennyLane 中新軟件功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而又提高了系統(tǒng)性能，形成了一個(gè)良性循環(huán)。

通過 GPU 實(shí)現(xiàn)良好擴(kuò)展

O'Riordan 很早就發(fā)現(xiàn) GPU 是擴(kuò)展 PennyLane 性能的最佳工具。去年，他與他人聯(lián)合撰寫了一篇論文，介紹了一種在 100 多個(gè) GPU 上拆分量子程序的方法。該方法可以模擬 60 多個(gè)量子比特，它們被拆分成許多 30 量子比特的子電路。

他表示：“我們希望將我們的工作擴(kuò)展到更大的工作負(fù)載上，所以聽說 NVIDIA 將為 cuQuantum 增加多節(jié)點(diǎn)功能時(shí)，我們希望盡快為其提供支持。”

于是不到四個(gè)月，多節(jié)點(diǎn) PennyLane 就誕生了。

O'Riordan 表示：“對(duì)于一個(gè)大型分布式 GPU 項(xiàng)目來說，這樣的項(xiàng)目推進(jìn)速度是很快的。cuQuantum 的每一個(gè)人都幫助我們盡可能輕松地完成了這一集成。”

Xanadu 的一篇博客詳細(xì)介紹了開發(fā)人員如何利用 PennyLane 和 cuQuantum 模擬超過 30 個(gè)量子比特的大規(guī)模系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在仍在收集數(shù)據(jù)。但到目前為止，在“基于樣本的工作負(fù)載上，我們看到了近乎線性的擴(kuò)展速度”，O'Riordan 表示。

也許正如 NVIDIA 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛所說：“買得越多，省得越多”。

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