量子计算机和超级计算机

量子计算机和超级计算机

• 有什么区别？

超级计算： 超级计算是利用超级计算机的非常庞大和集中的计算资源来处理高度复杂问题，它使解决问题和数据分析变得更加容易和简单。超级计算机还是基于经典的半导体芯片，是一系列装满处理器、内存和存储的巨大计算机，主要用于科学计算、天气预报、金融风险评估等领域，体积巨大。

量子计算： 量子计算是指对量子力学现象的使用，这些现象包括用于执行计算的叠加和纠缠。量子计算机利用量子性质来计算，主要用于密码学、量子模拟、量子化学等领域，更加小型轻量化，

• 量子计算机比超级计算机快得多

2019年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。

2020年，潘建伟团队在对“九章”做实验室时，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。

• 与超级计算机相比，超导量子计算机的耗能非常少，基本上最普通的实验室就能够满足需求

超级计算机

介绍

由数百、数千甚至更多的处理器（机）组成，能计算普通计算机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。常用于核物理研究、航天航空飞行器设计、国民经济预测和决策、中长期天气预报等方面，是强有力的模拟仿真和计算工具。对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义。

国内超算

• 神威 太湖之光

相比天河2号超算理论性能54.9PFLOPS(1PFLOPS=1千万亿次)、的计算能力，神威太湖之光(Sunway TaihuLight)的Linpack浮点性能大袋了93PFLOPS，理论浮点性能为125.4PFLOPS。虽然TOP500没提，不过太湖一号应该是全球首个理论性能达到10亿亿次的超算了，只不过最具代表性的Linpack峰值性能是9.3亿亿次，差一点就创造了新高。

• 天河二号

计算阵列包含16,000个计算结点，每个计算结点包含2个多核中央处理器和3个众核加速器，服务阵列包含4,096个操作结点，每个操作结点包含1个自主研制的FT-1500多核中央处理器，服务阵列主要承担高吞吐率和高安全的信息服务类应用，例如电子政务和云计算应用。

• 天河一号

天河一号采用的是异构即共同使用CPU和GPU，世界上的超级计算机还很少使用CPU加GPU的体系结构。GPU是图形处理器，扮演加速器的作用，它在加快了计算机的运行速度的同时也能降低功耗和成本。

• 星云

星云是中国一台具有自主知识产权的实测性能超千万亿次的超级计算机，它从各个方面都做出了新的突破与创新。其峰值运算速度可达每秒3000万亿次。在2010年国际超级计算大会ISC公布的全球超级计算机500强榜单中，星云超级计算机位列世界第二。时至2019，星云的峰值速度已达3000TFlop/s，仍在不断提升中。目前主要部署在国家超级计算深圳中心，被用于科学计算、互联网智能搜索、基因测序等领域。

• 银河

银河系列巨型计算机诞生于1983年，是中国一台每秒钟运算达1亿次以上的计算机，银河系列巨型计算机共有四个型号，1983年银河-Ⅰ峰值速度为每秒1亿次，1994年银河-Ⅱ每秒10亿次，1997年银河-Ⅲ每秒130亿次，2000年银河-Ⅳ每秒1万亿次。在上世纪整个80及90年代，银河系列巨型计算机都走在世界前沿，有着与国际比肩的运行速度，是当时继美、日等国之后，为数不多能够独立设计和制造巨型计算机的国家。

• 等

状况

1、中国部署

截至2023年，科技部批准建立的国家超级计算中心共有十所，分别是：

• 国家超级计算天津中心

国家超级计算天津中心天津中心部署有“天河一号”超级计算机和“天河三号”原型机系统。天津中心应用涉及石油勘探、生物医药、动漫设计、航空航天、气象研究、可控核聚变、土木建筑设计分析、高端装备制造等多个领域。

• 国家超级计算广州中心

国家超级计算广州中心广州中心配置了“天河二号”系统。投入运行以来，已经在生物医药、生命健康、汽车造船、影视动漫、工业设计、金融服务、核电、海洋等战略性产业和气象、公共安全等社会管理服务领域取得了良好的应用效果。

• 国家超级计算深圳中心

国家超级计算深圳中心深圳中心配备有曙光“星云”超级计算机。该中心以云计算为方向，开展存储、虚拟化、超大规模科学计算、工程仿真和图形图像处理领域的研究。

• 国家超级计算长沙中心

国家超级计算长沙中心长沙中心拥有“天河一号”超级计算机、“天河·天马”人工智能计算集群等多个计算平台。该中心主要应用于科学研究、信息服务、装备制造等多个领域。

• 国家超级计算济南中心

国家超级计算济南中心济南中心配备了神威蓝光超级计算机。济南中心主要为海洋科学、现代农业、油气勘探、气候气象、药物筛选、金融分析、信息安全、工业设计、动漫渲染等领域提供计算和技术支持服务。

• 国家超级计算无锡中心

国家超级计算无锡中心无锡中心拥有中国首台全部采用国产处理器构建的“神威·太湖之光”超级计算机。无锡中心为生物医药、海洋科学、油气勘探、气候气象、金融分析、信息安全、工业设计、动漫渲染等领域提供了计算和技术支持服务。

• 国家超级计算郑州中心

国家超级计算郑州中心郑州中心配备了新一代高性能计算机“嵩山”超级计算机。郑州中心重点围绕数字经济、社会管理、精准医学、生物育种、环境治理、高端装备、人工智能、国土资源管理等方面开展重点特色应用。

• 国家超级计算昆山中心

国家超级计算昆山中心昆山中心将承接长三角区域大科学装置的先进计算及科学大数据处理服务，应用领域包括人工智能、生物医药、物理化学材料、大气海洋环境等前沿科学领域。

• 国家超级计算成都中心

国家超级计算成都中心成都中心的超算服务被誉为“西部最强大脑”。投运来，先后为北京、上海等35个城市提供了算力服务，领域涵盖航空航天、装备制造、新型材料、人工智能等30个领域。

• 国家超级计算西安中心

国家超级计算西安中心西安中心应用领域广泛，从先进制造、芯片设计等科技前沿，到能源利用、天文物理等国家重大需求，均有涉及。目前，一期项目已经完成，二期项目正在建设中。

2、国外对比

• 在算力上还是国外排名靠前，在数量上中国稳居第一。

量子计算机

介绍

量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机。量子态叠加原理使得量子计算机 每个量子比特（qubit）能够同时表示二进制中的 0 和 1，从而相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性”。在解决实际问题的过程中，CPU 采用“串行”计算，即将一个问题的若干部分按照顺序依次进行运算；GPU 采用“并行”计算，即将一个问题拆成若干个小问题后，同时对每个小问题的一部分进行运算；QPU 则利用量子叠加性快速遍历问题的各种可能性并找到正确答案。形象地说，CPU 算力随比特数 n 的增长呈线性 n增长，GPU 算力随比特数 n 的增长呈平方次 \\(n×n\\)增长，QPU 算力随比特数 n 的增长呈幂指数 \\(2^n\\)增长。

科学家预测，经典计算机未来仍将承担收发邮件、视频音乐、网络游戏等功能，而量子计算机则将用于解决大型分子模拟、寻找大数质因数等经典计算机无法模拟的领域，并在 AI 计算领域对传统算力进行提升。

原理

量子计算机基于量子态叠加等原理制成，量子态叠加原理是量子力学的基本原理之一。量子态叠加原理可以由物理学薛定谔（Schrödinger）的思想实验“薛定谔的猫”（Schrödinger’s cat）形象理解，即和镭、氰化物关在一个箱子里的猫在观察者打开箱子之前既不能说是存活也不能说是死亡，而是存活和死亡的叠加态。该实验巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。

经典计算机使用晶体管作为比特（bit），以晶体管的开闭状态分别表示 0 和 1。量子计算机使用两态量子系统比如电子的自旋、光的偏振等作为量子比特（qubit），由于量子态叠加原理能够同时表示 0 和 1 。量子比特较经典比特具有更多信息，且呈幂指数级别增加。我们以 4 位的计算机为例，1 台 4 位经典计算机一次表示 1 种状态，1 台 4 位量子计算机一次表示 16 种状态，我们归纳可以得到，1 台 n 位经典计算机一次表示 1 种状态，1 台 n位量子计算机一次表示\\(2n\\)种状态。理论上，1 台 n 位的量子计算机算力为\\(

iqm的q-exa联盟被选中将德国量子计算机首次集成到hpc超级计算机