IBM最新路線圖：計劃製造以量子爲中心的超級計算機

近日，IBM公司公佈了最新路線圖，計劃在2025年推出具有1386個量子比特的多芯片量子計算機，以面向未來以量子爲中心的超級計算時代。

1386個量子比特的多芯片計算機Kookaburra，三張芯片可組成4158個量子比特系統，圖片來自IBM

以量子爲中心的超級計算機

兩年前，IBM發佈了首個路線圖“草圖”：一項發展量子計算技術的三年計劃，也可稱爲發展路線圖。

此次，IBM更新了前述線路圖，計劃將QPU（量子處理單元）、CPU（中央處理器）和GPU（圖像處理單元）編織到一個計算結構中，以解決超出傳統資源範圍的問題。

最新路線圖的目標是建造以量子爲中心的超級計算機。它將結合量子計算機、經典計算機、量子通信網絡和經典網絡，使其協同工作，以徹底改變計算方式。因此，IBM需要解決拓展量子計算機規模的挑戰，開發一個運行環境，提高量子計算的速度與質量，並引入一個無服務器(serverless)編程模型，使量子計算機和經典計算機可以流暢地協同工作。

爲了達成這一目標，IBM在2016年將公司研發的第一臺量子計算機服務放到雲端，2017年推出首個編程量子計算機的開源軟件開發工具包Qiskit，2019年推出首個集成量子計算機系統IBM Quantum System One，2021年發佈127個量子比特的量子計算機“鷹”，並推出Qiskit Runtime運行環境，使經典系統和量子系統協同運行。

此次更新的路線圖將延續到2025年，IBM表示屆時將消除拓展量子硬件的主要障礙，同時開發出將量子集成到計算工作流程中的技術與工具。

除了量子計算機，IBM正嘗試將整個計算領域引入一種範式轉變。

多年來，以CPU爲中心的超級計算機一直是主要的計算處理器，而在過去幾年裏，以人工智能爲中心的超級計算機出現，CPU和GPU可以在龐大系統中協同工作，解決人工智能繁重的工作負載。

如今正迎來以量子爲中心的超級計算機時代，IBM計劃將QPU、CPU和GPU編織到一個計算結構中。IBM表示，以量子爲中心的超級計算機將用於解決更復雜的問題、進行更具開創性的研究和開發更尖端的技術。

爲無服務器量子計算做好準備

爲了實現最新線路圖，IBM表示還需要開發軟件和基礎設施，並針對不同用戶需求和體驗，開發不同的工具。

對於內核開發人員，IBM將交付並完善Qiskit Runtime：通過添加動態線路，允許量子測量的反饋和前饋來改變或引導操作過程，以擴展硬件功能，減少線路深度，允許使用不同線路構建模型，並允許對量子糾錯核心的基本操作進行奇偶校驗。

IBM計劃在2023年使Qiskit Runtime能夠運作並行的量子計算機，包括自動分配可並行化的任務，之後兩年將在其中引入錯誤消除和抑制技術，爲未來量子糾錯奠定基礎。

對於算法開發人員，IBM將逐步完善Qiskit Runtime服務的原語(primitives)。量子計算機的獨特能力在於輸出產生非經典概率分佈，人們可以對概率分佈進行從中採樣或估計數量。原語作爲一組核心功能，可以輕鬆高效地作用在這些分佈上。

算法開發人員通常需要將問題分解成一系列較小的量子與經典程序，並使用一個編排層將數據流拼接到整體工作流程中。IBM將這種負責拼接的基礎設施稱爲Quantum Serverless，其核心是支持量子與經典資源靈活組合，爲開發人員分配所需要的計算資源。到2023年，IBM計劃將Quantum Serverless集成到核心軟件堆棧中，以實現線路編織等核心功能。線路編織技術是將較大線路分成小部分，在量子計算機上運行，然後利用經典計算機將結果重新組合在一起。

2022年初，IBM團隊演示了一種稱爲糾纏鍛造(entanglement forging)的線路編織方法，可以用相同數量的量子比特，將量子系統規模擴大一倍。此外，IBM還提出與經典通信並行的量子計算機將更快帶來量子優勢。

到2023年，IBM將開始爲特定用例構建量子應用軟件原型，並進行首個機器學習測試用例。到2025年，模型開發人員將能夠探索機器學習、優化、自然科學等領域的量子應用。

解決量子計算機規模擴展問題

量子計算的核心是能使量子程序運行的硬件，這可能需要數十萬甚至數百萬個高質量的量子比特，因此必須擴大量子計算機規模。對此，IBM表示將分別於2022年和2023年推出433個量子比特的“魚鷹”(Osprey)計算機和1121個量子比特的“禿鷹”(Condor)計算機，測試單芯片計算機的極限，並將其集成到IBM Quantum System Two中的大規模量子系統。目前，IBM正在嘗試將量子計算機連接到一起，以形成模塊化系統，從而使規模的擴展不受物理條件限制。

爲進一步解決規模擴展問題，IBM將採用三種循序漸進的方式：首先，在2023年引入“Heron”，一款具有133個量子比特的計算機，允許不同計算機之間的實時經典通信，從而實現前述編織技術；然後啓用多芯片計算機來擴展量子計算機規模，推出408個量子比特計算機“Crossbill”，包含三個通過耦合器連接的芯片，以實現模塊化擴展；之後，於2024年推出內置量子通信鏈路、462個量子比特計算機“Flamingo”，並將三個Flamingo組成1386個量子比特系統，以通過計算機之間的量子通信實現並行。IBM預計這種鏈路將導致跨處理器的量子門速度較慢、保真度較低，因此需要軟件配合，以更好地利用系統。

IBM表示，最終將把前述方法結合在一起，於2025年推出具有1386個量子比特、帶有量子通信鏈路的多芯片量子計算機“Kookaburra”，並利用三塊Kookaburra芯片組成4158個量子比特系統作爲演示，爲用戶提供大規模系統服務。

責任編輯：吳劍 SF031