“東方”超級計算系統(tǒng)是中國科學(xué)院新一代超級計算機。基于該系統(tǒng)的強大算力，LPC合作組完成了最大3億格點數(shù)的大規(guī)模模擬計算，為量子多體問題中高能物理實驗密切關(guān)注的物理量作出第一性原理預(yù)言提供了證實數(shù)據(jù)。

　　在處理量子多體問題時，具有噪音的NISQ量子計算機有望在幾十個量子比特的特定問題上具有超出經(jīng)典計算的能力，實現(xiàn)量子霸權(quán)；以2022年的戈登-貝爾獎為例，結(jié)合優(yōu)秀的經(jīng)典算法與超級計算機，也能打破量子霸權(quán)。在自由度提高到數(shù)百萬甚至上億的量子多體問題中，量子霸權(quán)理論上一定存在，但對應(yīng)的量子計算機目前無法制造出來。從而這樣的量子多體問題只能通過超級計算機進(jìn)行經(jīng)典模擬。

　　描述夸克和膠子這樣的基本粒子如何形成質(zhì)子和中子的格點量子色動力學(xué)（QCD），就是這種目前無法用量子計算機模擬的超高自由度量子多體問題。格點量子色動力學(xué)（QCD）通過研究虛時間上的四維格點系統(tǒng)，可以部分地繞過隨自由度指數(shù)增加的“維數(shù)災(zāi)難”，對部分子分布函數(shù)（PDF）、橫向動量分布（TMD）以及介子光錐分布振幅（LCDA）等高能物理實驗密切關(guān)注的物理量作出第一性原理預(yù)言。 

　　格點上計算PDF、LCDA和TMD需要在多種格距、不同格點數(shù)的格子上進(jìn)行高精度計算。同時，只有精確消除隨格距減小指數(shù)增長的短程發(fā)散，才能得到可靠的連續(xù)極限預(yù)言。而將格點QCD計算邊長增加一倍或者將格距縮小一倍，會帶來在計算資源上16倍以上的開銷。除了算法上的突破改進(jìn)，只能通過使用更為強大的超級計算機來解決LQCD計算對計算資源的需求。 

　　“東方”超級計算系統(tǒng)具有強大算力，LPC合作組基于該系統(tǒng)完成了最大3億格點數(shù)的大規(guī)模模擬計算，證實結(jié)合Wilson圈的平方根與短距離強子矩陣元，可以有效地消除準(zhǔn)TMD算符中所有短程發(fā)散，并在短程時與解析計算結(jié)果一致（圖1）；同時基于最大2億格點數(shù)的大規(guī)模計算，可以得到圖2所示的LCDA理論預(yù)言。近日，兩項研究成果發(fā)表在Physical Review Letters上。

　　 LPC合作組成立于2019年，包括中科院理論物理研究所、近代物理研究所、以及上海交通大學(xué)和德國雷根斯堡大學(xué)等，立足中國國內(nèi)格點QCD研究人員和超算資源開展強子結(jié)構(gòu)的研究。LPC合作組由理論物理所研究員楊一玻擔(dān)任發(fā)言人，為合作組的LQCD計算提供架構(gòu)和方案設(shè)計、以及數(shù)值計算培訓(xùn)。依托中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項與“東方”超級計算系統(tǒng)的支持，合作組自成立以來已發(fā)表七篇論文（Phys.Rev.Lett. 4篇，Phys.Rev.D 2篇，Nuc.Phys.B 1篇）。 

　　“東方”超級計算系統(tǒng)是中科院新一代超級計算機，由中科院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心運行管理。系統(tǒng)基于X86架構(gòu)的國產(chǎn)處理器和類GPU架構(gòu)的國產(chǎn)加速卡，融合了計算機體系結(jié)構(gòu)、高效制冷、高速網(wǎng)絡(luò)、海量存儲等方面的最新研究成果，突破了傳統(tǒng)冷卻方式，攻克了制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能耗瓶頸，支撐了高性能計算、AI、大數(shù)據(jù)等在天文、海洋、材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，為科學(xué)探索、產(chǎn)業(yè)升級等提供支撐。 

　　圖1.使用短程減除方案（右圖）對準(zhǔn)TMD矩陣元進(jìn)行重整化的結(jié)果，不同顏色表示不同格距，顏色越暖格距越小。如圖所示，短程減除方案可以得到收斂而與解析計算（虛線）在短程精確一致的結(jié)果。 

　　圖2.格點QCD基于大動量有效理論對π介子（左圖）和K介子（右圖）的光錐分布振幅作出的預(yù)言（黃色條帶），已外推到連續(xù)極限與大動量極限。與介子的情形不同，介子的光錐分布振幅具有較為明顯的不對稱性。對于目前計算中使用的強子動量，x<0.1與x>0.9區(qū)域的內(nèi)秉能標(biāo)過低，從而無法通過大動量有效理論給出可靠預(yù)言。