重磅！中國團隊“百億億級超算模擬量子”斬獲2021年戈登貝爾獎 另有兩項獲提名

北京時間11月19日消息（余予）在近日舉辦的hybrid virtual/in-person SC21會議上，來自之江實驗室、清華及無錫超算中心的14人組成的中國研究團隊斬獲今年超算領域最高獎項戈登貝爾獎——利用新的百億億級雙威系統(tǒng)模擬量子電路。

據(jù)了解，戈登貝爾獎(GORDON BELL PRIZE)，設立于1987年，是國際上高性能計算應用領域的最高學術獎項，被稱為“超算領域的諾貝爾獎”，主要頒發(fā)給高性能應用領域最杰出成就，由ACM每年評選和頒發(fā)，具有較大的國際影響力。獲獎者將會獲得由HPC先驅(qū)Gordon Bell提供1萬美元的獎金。

ACM 旨在“跟蹤并行計算隨時間的進展，特別強調(diào)將高性能計算應用于科學、工程和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析領域的創(chuàng)新獎勵。”。今年的戈登貝爾獎決賽有6個項目，涉及量子計算、分子動力學、光譜學及核聚變等多個領域。

附：2021年ACM戈登貝爾獎獲得者

縮小“量子霸權”鴻溝：使用新型雙威超級計算機實現(xiàn)隨機量子電路模擬

來自于浙江實驗室、清華大學、無錫國家超級計算中心和上海量子科學研究中心的14名研究人員利用大規(guī)模新雙威百億億次系統(tǒng)對量子進行了開創(chuàng)性的電路模擬。

“隨著谷歌在2019 年發(fā)表的“量子霸權”宣言，聲稱Sycamore超導量子計算機比Summit 快十億倍以上，量子時代的黎明開始以更積極的方式展開，”研究人員寫道，“IBM研究團隊后來回應認為，他們可以在經(jīng)典的Summit 超級計算機上完成模擬……是在幾天之內(nèi)，而不是1萬 年。”

該團隊使用隨機量子電路的量子態(tài)采樣作為解決這一備受爭議的量子優(yōu)勢的示例問題。研究人員的隨機量子電路模擬器，結(jié)合Sunway exascale系統(tǒng)的強大功能，模擬了一個 10×10(量子位)×(1+40+1)(深度) 的電路，持續(xù)性能達到驚人的120億億次單精確計算或440億億次混合精度計算，研究人員稱這是“量子電路經(jīng)典模擬的新里程碑”。他們將模擬采樣時間從之前估計的1萬年減少到304 秒。

*上圖由研究人員提供，主要經(jīng)典隨機量子電路模擬總結(jié)。X軸表示量子比特的數(shù)量；Y軸表示所需的相應內(nèi)存空間；圓圈和矩形的大小表示電路的復雜性/深度。

ACM戈登貝爾獎提名：

在量子模擬研究獲得獎項的同時，其他五項被提名代表了對世界上一些最緊迫的研究應用的最深入研究。

·Anton 3：午餐前的20微秒分子動力學模擬

多達 67 名研究人員參與了這項研究，最終開發(fā)出了由D.E. Shaw設計和建造的專用Anton 3分子動力學超級計算機。研究人員報告說，Anton 3能夠以每天100微秒的速度在512個節(jié)點上模擬一百萬個原子，每模擬1微秒的能量比任何其他機器都要少一個數(shù)量級。為實現(xiàn)這一壯舉，他們實施了一系列架構和算法改進，包括一個新的自定義網(wǎng)絡、不同精度的專門的成對交互，以及一個名為“曼哈頓方法”、用于解決非綁定交互的新方法。

·“富岳（Fugaku）”超級計算機上的400萬億網(wǎng)格Vlasov模擬：宇宙遺跡中中微子在六維相空間中的大規(guī)模分布

研究人員通過對宇宙遺跡中微子的大規(guī)模模擬，結(jié)合冷暗物質(zhì)的 N 體模擬。他們最大的模擬跨越了400萬億個網(wǎng)格和3300億天體的計算，“精準地再現(xiàn)了宇宙中中微子的非線性動力學。”在“富岳”上進行優(yōu)化后，研究人員擴展了147,456個節(jié)點，顯示出高達96%的弱縮放和高達93%的強縮放。

·托卡馬克等離子體中111.3萬億個粒子和257億個網(wǎng)格的的保辛結(jié)構粒子全體積模擬

托卡馬克，一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)性容器。來自中國的十幾名研究人員使用新的神威（Sunway）系統(tǒng)模擬了托卡馬克的全體積約束環(huán)面等離子體。這些模擬達到了111.3萬億個粒子和257億個網(wǎng)格，實現(xiàn)了超過201 petaflops雙精度的持續(xù)性能，最快的迭代步數(shù)達到298.2。

·中國領先高性能計算系統(tǒng)的極尺度 從頭計算（Ab Initio）量子拉曼光譜模擬

這項研究也利用了新的神威百億億次系統(tǒng)，將拉曼光譜——一種結(jié)構指紋——推向了新的極限。這十幾名來自中國的研究人員解釋稱，“拉曼光譜提供了化學和成分信息，可以作為各種材料的結(jié)構指紋。因此，包括量子微擾分析和基態(tài)計算在內(nèi)的拉曼光譜的模擬都具有重要意義。”生物材料的拉曼光譜的全量子力學模擬已被證明特別困難，在這里，研究人員進行了“快速、準確、大規(guī)模并行的真實生物系統(tǒng)拉曼光譜全從頭計算模擬”，多達3006個原子，雙精度達到468.5 petaflops ，混合半精度達到813.7 petaflops，這表明“QM方法在生物系統(tǒng)中的新應用潛力”。

·碳在極端條件和實驗時間和長度尺度下的十億原子分子動力學模擬

這些研究人員在極端壓力和極端溫度下觀察到了碳“長期尋找”的BC8相。為此，他們在美國領導力峰會系統(tǒng)上運行，在24 時內(nèi)指揮4650個節(jié)點，并展示了“SNAP [分子動力學] 前所未有的擴展性和無與倫比的現(xiàn)實世界性能”。代表模擬物理時間納秒，模擬實現(xiàn)了超過97%的并行效率和50 petaflops的峰值計算能力，用于跨越Summit近 28,000 個GPU上進行了200億原子分子動力學模擬。研究人員稱，這一紀錄為620萬個原子步/節(jié)點秒，是之前紀錄的工作的22.9倍。

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