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。

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\(????^????\)台 n 位的经典计算机算力。

量子计算机通过量子门对量子进行操作。类似于经典计算中基本的与门（AND Gate）、或门（OR Gate）、非门（NOT Gate）， 量子计算中基本的量子门有阿达马门（Hadamard Gate）、受控非门（Controlled-NOT Gate）等。

根据量子力学， 量子系统在经过“测量”之后就会坍缩为经典状态。以“薛定谔的猫”为例，当我们打开密闭容器后，猫就不再处于【叠加状态】，而是死猫或者活猫的唯一状态【经典状态】。

同样，量子计算机在经过量子算法运算后每一次测量都会得到唯一确定的结果，且每一次结果都有可能不相同。根据基础的量子门，科学家可以开发出相应的量子算法。

虽然量子计算机每一次的测量结果都类似“上帝掷骰子”会发生不同，但是 只要量子算法设计合理，量子计算机运算结果中出现概率最大的结果就是正确结果。面对较为复杂的计算问题，经典算法需要进行各态遍历等重复操作，算法的复杂度较高，而量子算法则能较快得到结果，只需少数测量取样得到计算结果概率即可知道正确结果。

优势

更加强大的并行计算能力

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，而经典计算机只能一次分别表示0或1状态，因此 量子计算机能够在特定计算困难问题上具有指数级性能提升。

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 （量子处理器）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。

假设存在一个可同时适用CPU、GPU、QPU解决的问题。若基于CPU开发的算法时间复杂度为O(N²)，则GPU和QPU的时间复杂度分别为O(N)和O(1)。问题规模较小时 CPU 实际运行时间有可能较小，但 随着问题规模增大，最终运行效率将呈 QPU>GPU>CPU 排列。

CPU 的内部结构较为复杂，具有强大的逻辑判断和通用性能，可以处理各种不同类型的数据，并且随时可以中断各种数据处理，因此 CPU 可以执行所有的算法，尤其是擅长串行运算（比如判断较多的算法），但在执行计算密集型算法效率不高。

GPU 相比 CPU 具有较多的 ALU和较少的 Control、Cache，理论上 GPU 也能执行所有的算法，但 GPU 的访存延迟较大在执行非计算密集型程序时效率远不及 CPU（所以通常计算机采用 CPU 控制 GPU 的架构），而 在并行运算（比如矩阵运算，每个单元的计算都不依赖于其他单元的计算结果）方面GPU 的计算效率则要高于 CPU。

而目前的 QPU 需要依赖经典芯片（CPU 或者专门设计的量子比特控制芯片）对其进行操作，目前来看 只能执行经过巧妙设计后的量子算法（比如用于分解质因数的 Shor 量子算法、用于无序数据库搜索的 Grover 量子算法）。

量子比特本身的量子属性可被用于大分子模拟，Shor 量子算法可被用于破解密码，Grover量子算法可被用于搜索行业，待量子计算硬件成熟后其实用价值可以快速体现。

进展

一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力就可以超过超级计算机。 -潘建伟

当前，国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术发展上总体较为领先。中国科研团队在这3个领域均有涉猎。

在光子体系，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至10光子纠缠，这一领域，可以说是中国的“传统强项”。

2020年9月，本源量子就推出首个国产工程化的超导量子计算机——本源悟源，其搭载6比特超导量子芯片，已通过本源量子云平台向用户提供量子计算服务。

（1）华为

华为量子计算研究的学术带头人为翁文康教授，主要研究方向是针对NISQ时代的专用量子计算算法和软件。华为2021年发布了全新的HiQ量子计算云平台公测版本，在量子模拟器与编程框架取得阶段性研究成果。

（2）腾讯量子实验室

腾讯量子实验室与外部科学家Iordanis Kerenidis合作一起对神经网络中最基本的前馈网络，研发了第一个可证明的量子加速算法；基于对制药企业调研，腾讯量子实验室在小分子药物发现流程中引入AI模型，用量子性质的计算和判别，生成强化学习的机器学习模型，将学术界和传统制药企业有效连接，帮助传统药物研发流程升级，提高药物研发效率。

（3）阿里巴巴达摩院量子实验室

阿里团队对谷歌量子优越性提出质疑，开发出了一款基于张量网络的模拟算法，并在阿里云上对该算法进行了测试，与Sumimit相较的集群方式相比，显示其能仅在20天内就解决谷歌测试所用的、1万年版本的随机量子线路采样问题(53量子比特，20个周期)。

（4）百度量子平台

百度发布了自主研发的国内首个云原生量子计算平台「量易伏」，可以通过云端对量子硬件后端进行访问，也可以通过百度自研的模拟器运行高达28个量子比特的量子随机线路模型。另外，百度还对量脉和量桨进行了升级。

（5）本源量子

本源量子由中科大郭光灿、郭国平二人创立，2020发布会上发布了基于真实超导芯片的量子计算云平台，其后端搭载了6个真实物理量子比特；另外还发布了本源的第二代32比特的量子测控一体机，支持216通道，并具备200ps同步稳定性。

（6）量旋科技

量旋科技主要由来自清华大学、中国科技大学、南方科技大学以及加拿大滑铁卢大学的量子计算专家创立。近期主营特色为真实的2比特、拥有独立的QPU、支持200多个单比特量子门操作以及20个双比特量子门操作的桌面型核磁共振量子计算机。

应用

1、破解经典密码算法

主要关注的是数字安全方面：

Shor算法目前受限于硬件性能破解加密能力十分有限，但长期来看其对密码学和互联网的技术、社会影响值得关注。

非对称加密算法在互联网后端技术中常用于登录、数字签名、数字证书认证等场景，是计算机通信安全的基石。非对称加密算法使用公钥+私钥进行，加密安全性好。

RSA等非对称加密算法的秘钥长度通常在2048位及以上（ 支付宝采用RSA2048位秘钥），实质为大数质因数分解等数学难题，无法被现有技术破解。

Shor量子算法已从理论上证明可以加速大数质因数的分解，科学家认为其未来有望加速密码破解。

受限于硬件性能，Shor算法目前能够做质因数分解的位数仍十分有限，但长期来看其对密码学和互联网的技术、社会影响值得关注。据估计，依现有纠错能力需百万级位数以上物理量子比特方能完整运行Shor算法破解加密算法，而迄今量子计算机的物理量子比特数最多不过在几十位至5000位（D-Wave的Advantage系统宣称具有5000位物理比特）。

2、量子通信

量子通信是利用量子机制传输信息的过程，其安全性和保密性比传统通信方式更高。量子通信还有多项特性，如量子隐形传态、量子密码学和量子远程计算等等。其中，量子隐形传态是一种神奇的现象，它能够实现信息的“匿名”传输，即信息可以在未直接传递的情况下被接收方获取到，一旦信息被传输，其状态会被破坏。

我国自2001年实现了长距离量子密钥分发以来，中国的量子通信技术不断发展，突破了多项重要技术瓶颈，包括量子保密通信、量子密码、量子测量、量子态反馈控制等领域。特别是在量子通信卫星研发上卓有成效，全球首颗量子卫星“墨子号”已经成功运行，并实现了地面和卫星的安全通讯。

我国的“墨子号”量子科学实验卫星预先设定了三大科学目标，第一是量子密钥的分发；第二是量子纠缠分发；第三是量子隐形传态。

量子密钥分发，通俗的说就是量子保密通信。也就是当卫星在轨运行的过程当中，它会将不同的单光子束分别发送到两个不同的地点，在实际的实验中设定的是北京的兴隆站和新疆的南山站，然后地面的工作人员将接收到的光子进行测量，从而约定密码，最终以实现遥远两地之间绝对安全的量子保密通信。

量子纠缠分发实验中，卫星会制备出一对纠缠的光子，然后把它们分别发送到位于云南的丽江站和青海的德令哈站。那么根据量子的纠缠理论，虽然这两个量子它们的状态不断变化，而且是不确定的，但是只要测量其中的一个光子，就知道另外的一个光子的状态了。接下来实验人员同时对这两个接收到的光子进行独立测量。

量子隐形传态，就是用隐形的方式传输量子的状态。实验中，科研人员会在地面的实验站制备出一对纠缠光子，一个留在地面，一个发送到卫星上。那么与此同时，科研人员还会再制备出第三个光子，让它和地面的光子发生新的纠缠。按照量子的理论，在地面的两个光子纠缠在一起的同时，天上的光子不再和地面上原来的光子纠缠，反而会呈现出地面上第三个光子的状态，就好像把地面的第三个光子瞬间传送到了空中