2023年5月，北京玻色量子科技有限公司（以下簡稱“玻色量子”）聯(lián)合移動云在我國知名科技期刊平臺《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版上發(fā)表了以“Optical experimental solution for the multiway number partitioning problem and its application to computing power scheduling”（光學(xué)實驗求解多路數(shù)字劃分問題的光學(xué)實驗解及其在算力調(diào)度中的應(yīng)用）為題的學(xué)術(shù)論文。
中國移動云能力中心高級技術(shù)研究員聞經(jīng)緯，玻色量子創(chuàng)始人&CEO文凱博士，中國移動云能力中心首席科學(xué)家錢嶺為論文的通訊作者。這是玻色量子和移動云在共同打造“恒山光量子算力平臺”過程中的首個重要研究成果，也是量子計算在云計算領(lǐng)域?qū)嵱没闹匾瘘c。
以下為本篇論文的主要內(nèi)容：
量子計算是一種新興的技術(shù)，有望實現(xiàn)計算能力的指數(shù)級增長。通過量子計算的能力，人們可以快速優(yōu)化人員和設(shè)備的調(diào)度流程，得出最優(yōu)解以最大限度的提高效率，并降低通信網(wǎng)絡(luò)、物流運(yùn)輸、供應(yīng)鏈管理和醫(yī)療保健等復(fù)雜場景中的成本。例如，量子計算可能提升云計算中的算力調(diào)度的速度，這需要在巨量的解空間中搜索出最佳配置，從而高效的將云計算資源分配給各種計算任務(wù)請求，提高整體的計算效率。
圖像渲染的算力調(diào)度任務(wù)就是云計算中的一個實際場景。一般來說該任務(wù)場景如下：客戶端提交一個具有特定的渲染需求，而云計算服務(wù)提供商必須找到調(diào)度計算資源的最佳方案，即在滿足約束的同時，用盡可能少的服務(wù)器數(shù)量完成渲染。通常做法是首先假設(shè)使用某幾個服務(wù)器，然后應(yīng)用各種啟發(fā)式算法來確定在這個方案下的運(yùn)行狀態(tài)（完成時間、負(fù)載平衡等），并比較在不同方案下的整體滿意度來確定哪個才是最佳方案。隨著數(shù)據(jù)量和服務(wù)器數(shù)量的增加，在大規(guī)模的動態(tài)云渲染中無法有效地獲得最優(yōu)的任務(wù)/服務(wù)器調(diào)度方案，這將導(dǎo)致服務(wù)器和渲染任務(wù)之間的不匹配，常常會發(fā)生冗余渲染，造成計算資源浪費(fèi)并大大降低渲染效率。
云渲染算力調(diào)度過程示意圖
玻色量子科研團(tuán)隊聯(lián)合移動云高級研究員們將上述應(yīng)用場景用數(shù)學(xué)建模為一個典型的NP-complete問題：“廣義的多路數(shù)字劃分問題”的一般形式，再轉(zhuǎn)化為QUBO（二次無約束二值優(yōu)化）問題，并映射為在“天工量子大腦”內(nèi)部量子系統(tǒng)的哈密頓量，通過“天工量子大腦”上可控的量子相變獲得最優(yōu)解。聯(lián)合團(tuán)隊還提出了兩種量子算法，從不同的優(yōu)化角度將廣義的多路數(shù)字劃分問題轉(zhuǎn)化成QUBO問題，還利用玻色量子自研100量子比特“天工量子大腦”相干光量子計算機(jī)進(jìn)行實驗求解。
實驗演示求解max-cut最優(yōu)解的圖表和結(jié)果
實驗中采用不同規(guī)模問題的量子（CIM）和經(jīng)典（SA和tabu）算法調(diào)度方案對比。
基于量子（CIM）和兩種經(jīng)典算法（a，b）的量子算法的運(yùn)行時間（以毫秒為單位），以及求解大規(guī)模問題(c)的時間節(jié)省率R（sa/tabu，cim）
實驗結(jié)果表明，與經(jīng)典模擬退火（SA）和禁忌搜索算法（TABU）相比，使用100量子比特“天工量子大腦”求解的計算方案可以實現(xiàn)顯著的量子加速，平均節(jié)省去了96.7%和98.5%的求解時間，同時還可以達(dá)到極高的精度。隨著問題規(guī)模的增加，“天工量子大腦”的求解時間也能保持相對穩(wěn)定，這在大規(guī)模問題求解上具有強(qiáng)大優(yōu)勢。值得注意的是，廣義的多路數(shù)字劃分是一個基本的NP-complete問題，而許多其他類型的問題也可以在數(shù)學(xué)上規(guī)約為這一問題，因此，玻色量子與移動云的這項研究成果大大拓展了“天工量子大腦”的實際應(yīng)用場景。
未來，玻色量子將持續(xù)專注于更大規(guī)模的可擴(kuò)展、可編程的光量子計算平臺研發(fā)和實用化應(yīng)用落地，與移動云攜手聯(lián)合打造“恒山光量子算力平臺”，共同探索量子計算在更多行業(yè)的實際應(yīng)用。
玻色量子還將啟動“燎原計劃”開發(fā)者平臺，并持續(xù)對外開放“天工量子大腦”的真機(jī)測試，熱忱歡迎更多不同領(lǐng)域的研究伙伴前來了解相干量子計算的原理和能力，在此基礎(chǔ)上展開共同研發(fā)，用量子計算去解決更多真實場景中的問題，讓量子計算的超強(qiáng)算力能真正服務(wù)于各行各業(yè)，滿足未來時代對于計算的需求。
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