QPU与GPU，经典超算和量子计算的协同
2024-05-21 21
不久前在国际超算大会ISC上， NVIDIA宣布将通过开源的 NVIDIA CUDA-Q量子计算平台，助力全球各地的国家级超算中心加快量子计算的研究发展。虽然量子计算离真正应用起来还有相当远的距离，但量子计算方面的推进一刻也没有停下，国内外不少企业和研究机构都在推进量子计算方面的研究。
量子计算QPU
ISC上，Nvidia表示正在加速量子计算研究，会将CUDA-Q量子计算平台连接到德国、日本和波兰的超级计算机站点，为其高性能计算机系统内的量子处理单元（QPU）提供强大的动力。
QPU量子处理单元是量子计算机的核心，它能够利用电子或光子等粒子的行为来进行特定类型的计算，其速度远快于当今计算机的任何处理器。QPU的量子计算是基于量子力学原理的计算技术，利用量子叠加和量子纠缠等量子物理特性执行计算，利用这些特性QPU可以快速处理和操作量子态，完成复杂的计算。
根据Nvidia的说法，“拿在手上，量子处理单元（QPU）可能看起来和感觉上与图形或数据处理单元（DPU）非常相似。它们都是十分典型的芯片或具有多个芯片的模块。可一旦运行起来，QPU 就会爆发出截然不同的力量”。
QPU的性能一般用它所包含的量子位数量来表示，而量子位是一个抽象概念，所以需要通过各种技术来模拟出这个量子位节点。在量子位的制造上，目前有很多技术手段，如超导量子比特、离子阱量子比特、量子点量子比特等。
比如今年容错量子计算机硬件开发商Alice & Bob就成功流片一款16量子比特的QPU——Helium 1，英特尔去年的12量子位量子处理单元QPU“隧道瀑布”也是英特尔迄今为止最先进的硅自旋量子比特芯片。
量子计算目前还处于早期阶段，日后哪种技术手段的量子位会在QPU中被广泛使用还不得而知。但可以缺的是，理论上QPU所需的功率和所产生的热量均会少于现在的这些经典处理器。
经典超算和量子计算的协同工作
业界认为，随着QPU的发展，未来会出现很多经典计算和量子计算的协同工作的场景，计算任务需要能够在QPU、CPU和GPU上均良好运行。
NvidiaCUDA-Q量子计算平台程序能够量子计算机的QPU和经典系统中模拟QPU的GPU上运行。ISC上连接NvidiaCUDA-Q量子计算平台的日本产业技术综合研究所的 ABCI-Q 超级计算机、德国于利希超算中心（JSC）、波兰波兹南超级计算与网络中心（PSNC）均是在做经典计算和量子计算混合的研究工作。
日本产业技术综合研究所表示ABCI-Q借助量子与经典混合加速计算机，将在实用量子计算应用方面取得进展；波兰波兹南超级计算与网络中心表示通过构建一个全新的量子与经典混合系统，能够在未来多QPU和GPU系统上实现高效管理以及开放简便的集成和编程；德国于利希超算中心同样表示混合量子与经典加速超级计算让量子计算更接近成为现实。
混合的量子系统，无疑将使量子计算更接近现实更接近落地应用，这种混合系统将在未来解决单靠经典计算无法解决的复杂问题。
小结
作为尚处于早期的科技赛道，新技术新硬件的每一次突破，都在推动量子计算产业离现实更近一步，最终每一步突破汇聚成的颠覆性的革新，会在短时间内迅速引起行业变革。这项能够改变世界的技术正朝着超越传统经典计算的方向一步步前进。电子发烧友网报道（文/李宁远）
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