量子计算闯入超算赛场：于利希的这次部署有点东西

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当科幻逐渐照进现实，量子计算这个曾经只存在于理论物理课本和科幻作品中的概念，正在德国的一个小镇上悄然落地。于利希超级计算中心，这个欧洲计算领域的重镇，刚刚完成了一项可能改变整个计算产业格局的部署——将量子计算系统与传统超算环境无缝集成。

这不仅仅是两个计算系统的简单连接，更像是一场精心编排的科技交响乐，每一个音符都在重新定义计算的未来。

老牌科研机构的创新征程
于利希研究中心从来都不是科技界的跟随者。自从1956年成立以来，这个位于德国北莱茵-威斯特法仑州的科研机构就在多个前沿领域展现出非凡实力。从能源开发到信息技术，从环境研究到量子科技，其研究范围之广令人惊叹。

该中心拥有八个核心研究所，研究人员阵容超过五千人。2007年，中心的Peter Grünberg教授因发现巨磁电阻效应而获得诺贝尔物理学奖，这个国际公认的最高科学荣誉充分证明了机构的科研实力。

作为于利希研究中心的重要组成部分，于利希超级计算中心一直是欧洲高性能计算领域的领军者。2011年，JSC部署了欧洲首台千万亿次超级计算机JUGENE，展现出前瞻性的技术布局。如今，JSC正在运营欧洲最快的超级计算机"木星"（JUPITER），这个计算巨兽在全球超算排行榜上位列第四，其峰值性能达到每秒1.2百亿亿次浮点运算，在最新TOP500榜单中能效比排名前十。

"木星"项目的总投资达到5亿欧元，资金由欧盟EuroHPC JU和德国方面平均分担。这笔投资来自欧洲高性能计算联合计划（EuroHPC JU），这是欧盟委员会于2018年启动的雄心勃勃的计划，旨在使欧洲成为全球超级计算的领导者。该计划预算10亿欧元，旨在到2023年部署世界级的百亿亿次超级计算机。其中2.73亿欧元用于硬件、软件及系统集成，剩余的2.27亿欧元将确保系统未来至少六年的稳定运行。这种规模的投资不仅体现了对计算科学的重视，更彰显了欧洲在科技竞争中的战略眼光。

技术融合的创新突破
NVIDIA带来的DGX Quantum系统展现了令人印象深刻的技术创新。这个系统将NVIDIA的Grace Hopper超级芯片与Quantum Machines的OPX1000混合量子-经典控制器完美结合，创造出一个无缝协作的计算环境。

Quantum Machines是以色列一家专注于量子控制系统的创新公司，其在量子控制领域的突破性技术使得经典计算系统能够以前所未有的效率与量子处理器通信。该公司的OPX1000控制器专门设计用于实现量子计算系统与经典计算基础设施之间的高性能接口。

特别值得关注的是PCIe Gen5互连技术，它将延迟降低到微秒级以下。这种超低延迟特性对需要在量子相干时间内完成的计算任务具有决定性意义，特别是在量子误差校正等关键工作负载方面。4微秒的延迟时间比传统方法快了整整1000倍，这个突破意味着系统现在可以在量子态退相干之前完成完整的计算循环，这是实现实用量子计算的关键突破。

该架构还展现出卓越的灵活性。DGX Quantum能够适配各种类型的量子处理器，不受特定量子处理单元技术路线的限制。这种技术包容性使系统能够跟上量子计算的快速发展步伐，从容应对从少量量子比特处理到复杂超级计算工作负载的各种需求。

量子处理器的技术创新
JSC此次采用的量子处理器来自Arque Systems，具备5个量子比特，运用创新的电子穿梭（electron shuttling）技术实现量子比特间的耦合。这种技术与传统方法截然不同，它通过物理移动电子来实现量子比特之间的相互作用，而不是依赖固定的耦合元件。

这种电子穿梭技术为量子纠错（QEC）架构提供了理想的基础平台。通过精确控制电子的移动，该系统能够实现更灵活的量子比特连接配置，这对于构建可扩展的量子计算系统至关重要。Arque Systems的创新方法特别适合实现表面码量子纠错方案，这是目前最有前景的量子纠错方法之一。

这种创新设计专注于支持量子误差校正架构，为提升量子计算的稳定性和可靠性奠定基础。电子穿梭技术还允许动态重新配置量子比特之间的连接关系，这为优化特定量子算法提供了前所未有的灵活性。

从理论到实践的重要跨越
该合作项目确立了多个明确目标：加速量子比特校准流程、评估量子误差校正性能、探索在高性能计算环境中开发混合量子-经典算法。这些目标直指量子计算实用化的核心挑战。

这种架构的独特价值在于能够让神经网络和机器学习模型直接在经典加速器上运行，同时保持与量子控制器的低延迟通信。这种能力使实时执行自适应校准和解码器优化等先进技术成为可能，显著提升了现有系统的工作效率。

NVIDIA的Grace Hopper超级芯片在这一架构中发挥着关键作用。这种创新芯片将ARM架构的Grace CPU与Hopper GPU整合在同一个封装中，提供900GB/s的芯片间连接带宽。这种设计特别适合量子-经典混合计算工作负载，因为CPU可以处理控制逻辑，而GPU并行处理大量数据，同时与量子处理器保持极低延迟通信。

于利希超级计算中心量子计算及JUNIQ负责人Kristel Michielsen教授表示："我们的专家团队已经全面掌握该系统的运维，JUNIQ的科研用户已经借助其取得了一系列重要研究成果。这个系统为我们提供了前所未有的能力来探索量子-经典混合算法，特别是在量子机器学习和优化问题方面。"

量子集成的发展历程
德国于利希研究中心在量子计算与高性能计算融合方面积累了丰富经验。经过三年成功的技术验证和运行实践，于利希超级计算中心正式将D-Wave退火量子计算机纳入其永久性计算基础设施。

该系统还与JUPITER超级计算机实现深度连接，推动了人工智能和量子优化等应用领域的重要突破。这种连接不仅是物理层面的结合，更是功能层面的深度融合。

JSC引入的是全球规模最大的退火量子计算机，也是欧洲首台具备超过5000个量子比特和15路互联的退火量子计算机。这一重要部署使于利希统一量子计算基础设施（JUNIQ）的用户能够充分利用该量子系统，为科研创新提供强大技术支撑。

实际应用的重要突破
JUPITER超算中心与D-Wave合作开展了多项重要研究，取得了令人瞩目的成果。在2024年夏季，JSC科学家与斯洛文尼亚研究人员合作，证明了退火量子计算机能够直接模拟材料中电子的微观相互作用，这项研究为新材料设计提供了重要见解。

特别值得一提的是在蛋白质折叠研究方面的突破。研究人员利用该量子-经典混合系统，成功模拟了复杂蛋白质的折叠过程，这项研究对理解阿尔茨海默症和帕金森病等神经退行性疾病的分子机制提供了重要线索。研究团队成功识别了几个关键蛋白质折叠中间态，这些发现可能为开发新的治疗方法指明方向。

最近，JSC、英国利兹大学和奥地利科学技术研究所的团队结合D-Wave系统与超级计算机，深入探索宇宙形成过程中的量子物理现象。他们模拟了早期宇宙中量子涨落如何影响大规模结构形成，这项工作为了解宇宙起源提供了新的视角。

这些研究成果有力地表明：量子计算已经超越实验室的理论范畴，正在迈向实际应用的新阶段，为解决现实世界的复杂问题提供新的可能性。

全球超算格局的演进态势
全球超级计算机500强榜单反映出当前高性能计算领域的竞争态势。虽然AMD处理器驱动的超级计算机首次包揽榜单前两位，但英特尔仍然以294套系统的数量保持整体市占率领先地位。

美国新增两台系统，使其系统总数达到173台。前三名的超级计算机均由美国能源部实验室运营，都属于百亿亿次级别的系统。Frontier系统以每秒1.1百亿亿次的性能位居榜首，这体现了美国在超算领域的持续投入和技术领先。

中国本次没有新增系统，整体上榜数量有所减少。德国正在稳步追赶，目前有43台系统上榜，位列第三。日本Fugaku系统虽然从榜首位置滑落，但仍然保持在前五名之内，展现了日本在超算领域的实力。

按大洲划分，北美继续保持领先地位，欧洲紧随其后，亚洲位列第三。全球超算领域呈现出三个明显趋势：异构架构的广泛采用、能效比竞争的日益激烈、量子计算融合的深入探索。

新上榜的日本"富岳"系统在能效比方面表现突出，德国于利希研究中心的JUPITER系统首次集成量子计算模块，开创了混合架构的新路径。JUPITER在能效比方面排名全球前十，其每瓦特性能达到35.5 GFlops，这体现了欧洲在绿色计算方面的领先地位。

TOP500榜单编辑杰克·唐加拉指出："AMD的突破不仅体现了产品成功，更反映了HPC领域对能效、扩展性和异构计算整合能力的综合要求。我们现在看到的不仅是性能竞赛，更是能效和创新架构的竞争。"

量子计算与超级计算的深度结合，就像两位各擅胜场的顶尖专家决定携手合作。一个擅长处理海量数据，一个精于解决特定难题，二者的协同合作不仅拓展了计算科学的边界，更为人类探索未知世界打开了新的窗口。

在这场计算革命中，我们见证的不仅是技术的进步，更是人类对计算本质理解的深化。未来计算世界的大门，正在这样的跨界融合中缓缓开启，预示着计算技术将进入一个全新的发展时代。从实验室到实际应用，从理论探索到产业化落地，量子计算与超算的深度合作正在书写计算科学的新篇章。