IBM 公布量子-经典高性能计算蓝图

当商用化、可规模化、具备容错能力的量子计算时代真正到来、实现广泛普及之时，至少在初期，它将以云服务的形式存在，并与强大的传统超级计算机深度融合；量子计算会成为类似加速器的计算节点，与 CPU、GPU 协同运行，承接传统硬件难以胜任的超复杂计算任务。

如今，越来越多高端计算领域的行业巨头，以及中小型厂商与初创企业，都在逐步搭建技术框架，推动这类融合系统实现稳定运行。正如我们去年所述，为持续扩张的人工智能市场提供核心算力支撑的英伟达，已开始为其产品新增高性能计算（HPC）与量子计算互联的相关能力。例如，NVQLink是用于连接传统超算与量子系统的高速互联协议，而CUDA-Q则是英伟达推出的量子 - 经典融合计算平台。

近期，初创企业 Quantum Elements通过人工智能与数字孪生技术相结合，加速商用化容错量子计算的落地进程；而Quantum Machines本周发布了开放式加速堆栈框架，面向希望将任意传统计算流程集成至量子控制堆栈的用户。该公司联合创始人兼首席技术官约纳坦・科恩表示：“这标志着行业正从量子计算演示阶段，转向规模化部署与系统融合阶段。它满足了量子技术发展两大核心需求：实时纠错与高级量子比特校准，同时在兼顾用户体验与性能的前提下，为软硬件规模化拓展搭建了框架。”

量子 - 经典融合系统的必要性

量子计算与高性能计算融合的构想已被探讨多年。超导量子处理器初创企业QuantWare指出：“随着传统计算与量子计算的边界日益模糊，行业正形成统一愿景：未来高性能计算将走向异构架构，量子计算会成为现有计算体系中又一重要‘工具’。”

这一议题甚至上升至国家安全层面。美国战略与国际研究中心（CSIS）本月发布报告称：“将量子计算机融入美国顶尖超级计算系统，已是美国在下一时代计算领域保持技术领先的战略要务。尽管美国在超级计算与量子计算领域均处于领先地位，但在量子 - 超算混合系统研发上，已落后于欧洲与日本。”

蓝色巨人的技术蓝图

IBM 本月公布了一套参考架构，企业高管称其为行业提供了量子与传统计算融合、实现任务协同运行的技术路线图，IBM 将其命名为量子中心超级计算（QCSC）。IBM 院士兼量子中心超级计算首席技术官Jerry Chow向表示，该架构是“未来计算的蓝图，同时兼顾与现有技术的兼容性和互补性”。

“量子计算与高性能计算必须深度融合，目前已有诸多机构在数据中心内部署相关设备。我们希望明确划定技术方向，从技术层面展示异构计算的实现路径 —— 让量子处理器与 GPU、CPU 在高性能计算平台中实现互操作、通信、统一调度，并面向终端应用完成编程。”

据 IBM 科学家介绍，这份在研究论文中详细阐述的参考架构分为多层，以硬件基础设施为根基，而硬件层又划分为三个层级，各层级具备独立计算能力、互联方案与物理部署位置：

•底层：量子系统，包含传统运行时环境与一台或多台互联量子处理器（QPU）；运行时环境由专用传统加速器（FPGA、ASIC）与 CPU 组成，负责支撑量子处理器的各项操作，涵盖纠错编码、量子比特校准、主动重置等。

•第二层：与量子系统就近部署的可编程 CPU、GPU 系统，通过低延迟近实时互联协议连接，包括融合以太网远程直接数据存取（ROCE）、超以太网、NVQLink 等。

•第三层：合作伙伴的横向扩展系统，可部署于云端或本地机房。

基础设施之上为调度层，包含量子资源管理接口（QRMI）—— 这是一个开源库，可屏蔽硬件底层细节，提供量子资源获取、任务执行、系统监控的应用程序接口。此外还有应用中间件（实现量子与传统编程模型的通信）与应用软件。

“CPU 以二进制编码处理信息，GPU 依托张量运算，而量子处理器的编程模型则基于量子电路。将现有求解器升级为量子中心超级计算求解器，需要搭建应用层，让计算库将任务拆解为可在不同环境中运行的模块。该层实现了传统计算库与量子计算库的协同，依托传统算力完成量子任务的预处理、优化与后处理，生成适配特定应用领域的量子电路。”

Jerry Chow表示，IBM 早已开展量子与传统计算融合的探索，通过与克利夫兰医学中心基于量子中心超级计算工作流的合作研究发现，量子计算在物理、化学领域的计算能力已可与传统计算相媲美。IBM 还与日本理化学研究所（RIKEN）及其富岳超级计算中心合作，完成了该参考架构的早期部署验证。

“整体而言，该架构以算力在时间或空间上的紧密耦合为核心方向，展示了多种应用场景。我们希望通过架构的持续演进指引行业发展，这并非唯一终极架构，而是逐步实现算力更深度耦合的技术路径。长远来看，随着核心应用领域的算法、程序库不断拓展，我们将推动系统协同设计，实现规模化扩展。”

IBM 还发布了时间线，规划了未来数年量子 - 传统计算融合的技术演进路径。

Jerry Chow称，另一项关键时间节点同样意义重大：该参考架构的核心技术支撑，首先来自 2023 年发布的苍鹭（Heron）133~156 比特超导量子芯片，以及 2025 年 11 月推出的Nighthawk 120 比特量子芯片。

他表示，Nighthawk芯片让 IBM “实现了部分量子电路的算力超越传统计算机的精确模拟极限”。“这一芯片成为众多用户开展前沿探索的试验场，研究重心不再局限于器件本身，而是转向基于量子处理器的科研实践。其中核心问题便是：如何让量子算力与用户日常使用的传统算力协同工作？”

他强调，量子计算不会完全取代传统计算基础设施，正如 CPU 与 GPU 协同工作一样，量子处理器将成为计算架构中的重要组成部分。

“从算法角度而言，要让各类加速器在其擅长的领域发挥最大价值：用 CPU 处理静态批处理任务，用 GPU 完成矩阵与张量运算 —— 这一分工不会改变；而量子电路，即依托量子纠缠、叠加态实现的量子计算语言，则交由量子处理器完成。算法层面的核心挑战，在于如何最优调度各类算力。当下令人振奋的是，借助这类混合计算模型与参考架构，行业已开始探索如何最大化发挥各类算力的价值。”

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