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：物理學 力學 天文學》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”（光學實驗求解多路數(shù)字劃分問題的光學實驗解及其在算力調(diào)度中的應用）為題的學術論文。
中國移動云能力中心高級技術研究員聞經(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，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、物流運輸、供應鏈管理和醫(yī)療保健等復雜場景中的成本。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請求，提高整體的計算效率。
圖像渲染的算力調(diào)度任務就是云計算中的一個實際場景。一般來說該任務場景如下：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，用盡可能少的服務器數(shù)量完成渲染。通常做法是首先假設使用某幾個服務器，然后應用各種啟發(fā)式算法來確定在這個方案下的運行狀態(tài)（完成時間、負載平衡等），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/服務器調(diào)度方案，這將導致服務器和渲染任務之間的不匹配，常常會發(fā)生冗余渲染，造成計算資源浪費并大大降低渲染效率。
云渲染算力調(diào)度過程示意圖
玻色量子科研團隊聯(lián)合移動云高級研究員們將上述應用場景用數(shù)學建模為一個典型的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”相干光量子計算機進行實驗求解。
實驗演示求解max-cut最優(yōu)解的圖表和結果
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”的實際應用場景。
未來，玻色量子將持續(xù)專注于更大規(guī)模的可擴展、可編程的光量子計算平臺研發(fā)和實用化應用落地，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”的真機測試，熱忱歡迎更多不同領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，讓量子計算的超強算力能真正服務于各行各業(yè)，滿足未來時代對于計算的需求。
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