IBM公布量子芯片路线图

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当商业化、可扩展、容错的量子计算时代真正开始，当它广泛普及时，至少在初期，它将是一种与经典的、强大的超级计算机集成的云服务，类似加速器的节点将与 CPU 和 GPU 一起运行，并承担那些对于它们的经典同类来说过于强大的工作负载。

高端计算领域的巨头企业以及规模较小的供应商和初创公司正日益着手构建相关组件，以确保此类集成系统能够流畅运行。正如我们去年所指出的，为持续扩张的人工智能市场提供大部分技术支持的英伟达（Nvidia）已开始在其产品中配备将高性能计算（HPC）与量子计算连接起来的功能。例如，NVQLink 是一种用于连接传统超级计算机和量子系统的高速互连技术，而 CUDA-Q 则是英伟达的量子-经典平台。

最近，初创公司 Quantum Elements 正在利用人工智能和数字孪生技术加速商业化、容错量子计算的到来。本周，Quantum Machines 推出了开放加速栈 (Open Acceleration Stack)，这是一个旨在帮助用户将任何经典过程集成到其量子控制栈中的框架。联合创始人兼首席技术官 Yonatan Cohen 表示，该框架“反映了量子计算行业从演示阶段向规模化和集成阶段的转变。它满足了量子计算发展两个关键领域的需求：实时纠错和高级量子比特校准，并提供了一个兼顾用户体验和性能的硬件和软件扩展框架。”

量子计算与高性能计算系统集成的理念已经酝酿多年。初创超导量子处理器制造商 QuantWare 曾撰文指出：“随着经典计算和量子计算之间的界限日益模糊，业界正朝着同一个方向发展：高性能计算的未来将是异构的，量子计算将成为现有计算架构的又一‘工具’。”

这甚至已经成为一个国家安全问题。战略与国际研究中心（CSIS）本月撰文指出，“将量子计算机集成到美国世界一流的超级计算机中，如今已成为美国在下一个计算时代保持技术领先地位的战略要务。虽然美国在超级计算和量子计算领域处于领先地位，但在开发混合量子超级计算系统方面却落后于欧洲和日本。”

IBM 本月发布了一种参考架构，高管们表示，该架构为业界提供了一份路线图，将量子计算和经典计算结合起来，以运行他们所谓的以量子为中心的超级计算 (QCSC) 中的工作负载。IBM 院士兼 IBM QSCS 首席技术官 Jerry Chow 在接受The Next Platform采访时表示， IBM 将其视为“未来计算的蓝图，但旨在展示其与现有技术的兼容性和互补性”。

周表示：“量子计算和高性能计算需要融合，而且很多地方都在数据中心部署这些技术。我们想做的，是真正地树立一个标杆，展示这种技术方案的蓝图，以及在高性能计算平台上，量子计算、GPU和CPU如何协同工作、通信、协调运作，以及如何针对终端应用进行编程。”

据IBM科学家介绍，该参考架构包含多个层级，以硬件基础设施为基础，该基础设施本身又分为三个层级，每个层级都拥有各自的计算能力、互连方式以及彼此之间的距离。底层是量子系统，该系统包含经典运行时和一个或多个互连的量子处理单元（QPU）。运行时由专用经典加速器（FPGA和ASIC）以及CPU组成，这些CPU负责执行从纠错编码到量子比特校准再到主动量子比特重置等QPU操作。

第二层由可编程 CPU 和 GPU 系统组成，它们与量子系统位于同一地点，并通过低延迟、近乎实时的互连技术连接，例如基于融合互联网的 RDMA (ROCE)、Ultra Ethernet 和 NVQLink 等。最后一层是合作伙伴的横向扩展系统，这些系统部署在云端或本地。

基础设施之上是编排层，其中包括量子资源管理接口（QRMI）。QRMI是一个开源库，它抽象化了硬件相关的细节，并提供用于量子资源获取、任务运行和系统监控的API。此外，还有一个应用中间件，它作为独立的量子和经典编程模型以及应用软件之间的通信工具。

科学家们写道：“CPU 使用二进制代码表示信息，GPU 使用张量，而 QPU 则依赖电路作为其编程模型。将现有求解器演化为 QCSC 求解器需要一个应用层，计算库可以在该层将问题分解为可在不同环境中启动的组件。该层促进了经典库和量子库之间的交互，后者负责准备、优化和后处理量子工作负载，使其与应用领域相匹配，并通常使用经典资源来完成这些工作。”

周表示，IBM一直在探索量子计算与经典计算的融合，并补充说，在物理和化学问题上，量子计算已经能够与经典计算相媲美。这一发现源于IBM与克利夫兰诊所合作，运用量子计算超级计算机（QCSC）工作流程开展的研究 。此外，IBM还与理研（RIKEN）的超级计算环境及其富岳超级计算机合作，早期部署了参考架构。

“总体而言，该架构旨在展示一系列不同的用例，这些用例都以紧密的时间或空间协同定位为指导方向，”他说道。“这就是为什么我们主要通过架构的演进来指导这项工作。这并不是说这是一个适用于所有情况的唯一架构。它的目的是展示资源之间日益紧密的耦合。从长远来看，这将真正推动系统协同设计，使其能够随着应用程序、算法和库在关键应用垂直领域的扩展而扩展。”

IBM 制定了一份时间表，概述了该供应商认为未来几年量子计算与经典计算融合的发展趋势。

周先生表示，另一个时间节点也发挥着作用。参考架构的关键推动因素以及IBM在该领域所做的工作，首先是其于2023年发布的Heron 133至156量子比特超导量子芯片，其次是即将于2025年11月推出的Nighthawk 120量子比特芯片（如下图所示） 。

他说，那些Nighthawk芯片让IBM“达到了某些电路无法精确模拟的地步”。“因此，它就成了我们许多用户探索的试验场。这不再是对设备本身的研究，而是真正地探索量子处理器的研究。其中很重要的一部分是，如何将它与人们通常从经典角度进行的研究结合起来？”

他表示，量子计算不会取代传统基础设施的每一个部分。就像CPU和GPU并非总是协同工作一样，量子处理器（QPU）将成为整个架构的重要组成部分。

周说：“从算法的角度来看，你要确保在加速器最擅长的领域使用它们。静态批处理用CPU，矩阵和张量运算用GPU——这些运算总是在GPU上进行的——量子电路运算，也就是我们目前在量子计算机上进行量子计算的语言，它利用纠缠或叠加等技术。关键在于，从算法的角度来看，如何才能最好地运用这些不同的组件？令人兴奋的是，有了这些混合模型和参考架构，人们可以开始思考如何才能最好地利用它们来发挥自身能力。”

（来源：编译自nextplatform）

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