量子中心超算落地伊利诺伊州，IBM携手UIUC共探量子新纪元

超导量子比特有多种形式。IBM量子处理器核心所采用的Transmon量子比特，能发展至今，Hanhee Paik功不可没。

正是凭借对Transmon量子比特相干时间的突破性改进，Paik向世界证明了超导量子计算机的可行性。如今，IBM在全球运营着一批以她设计的Transmon量子比特为核心的量子计算机。而今天，Paik在IBM的职责，是帮助研究人员探索这些系统的创新应用。

她目前主管IBM在芝加哥的多个项目，其中包括IBM近期与伊利诺伊州共同设立的国家量子算法中心（NQAC），该中心的成员单位涵盖伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）和芝加哥大学。

IBM已与UIUC签署新协议，宣布扩展Discovery加速器研究所，目标是推进量子中心计算，并开发融合高性能计算（HPC）与量子计算优势的算法，以实现变革性成果。

IBM将向UIUC的学生和研究人员开放IBM量子计算机的访问权限，使其与UIUC国家超算应用中心（NCSA）的Delta及DeltaAI超算系统协同运作。这种"量子中心"架构将使研究人员能够测试新算法，并在真实场景中探索量子应用案例。

"没有算法，量子计算就无从解决问题、推动经济发展。"

Paik将依托自身在量子系统领域的深厚积累，以及在日本工作期间积累的高性能计算知识，主导推动该议程的落地。

近期，我们与她进行了一次深入对话，聊到了IBM与UIUC的合作，以及量子研究的过去、现在与未来。

您是如何参与到与UIUC的合作中的？

我目前共同负责IBM研究院的学术合作项目，UIUC是我们最重要的合作伙伴之一。同时，我还负责伊利诺伊州全境的量子相关事务，这也是我搬到芝加哥的原因。除了此次研究所续签合作之外，IBM近期还与伊利诺伊量子与微电子园区（IQMP）达成合作，共同设立NQAC，并将于今年9月在芝加哥部署一台IBM Quantum System Two。Pritzker州长的愿景是将量子技术应用于科学和产业问题，促进经济增长，而算法在其中至关重要。没有算法，量子计算就无法真正解决问题、驱动经济。我们希望这个中心能成为全州研究人员汇聚交流的平台。

Discovery加速器研究所未来五年的发展蓝图是什么？

我们希望推动计算领域进入下一个篇章。我们对量子中心超算的愿景是实现CPU、GPU与QPU的深度融合，同时推进AI平台建设，以支撑下一代AI工作负载。UIUC在科学计算领域拥有深厚的专业积累，从今年起，他们可以通过云端访问我们的IBM量子计算机，与其HPC系统协同工作。我们的研究目标之一，是高效整合量子与HPC工作流程，让这一技术真正触达学生和研究人员。

您说得让量子中心超算听起来很简单！

其实一点都不简单。有时候要用到QPU，有时候要用到GPU和CPU，在一个集成系统中，工作流程极为复杂。IBM与日本理化学研究所（RIKEN）共同开创了一套工作流程，用于高效管理量子计算资源并执行算法。在进行量子计算时，HPC不能处于闲置状态，因为同时有成千上万的用户在使用这些系统——它们是共享资产。

您最希望量子中心超算解决哪类问题？

我很好奇，量子与GPU的集成系统能否帮助我们发现量子加AI的融合算法。我们希望探索更多能够高效利用这两类资源的算法。基于采样的量子对角化（SQD）算法就是一个很好的例子，它充分结合了量子与经典计算各自的优势。铁硫分子Fe4S4是细胞线粒体中通过电子传递产生能量的关键分子，单靠暴力求解的HPC方法无法计算其基态能量。然而，IBM与RIKEN的研究人员借助量子中心超算成功解决了这一问题，这是量子中心超算算法强大能力的有力佐证。

IBM与UIUC将聚焦哪些类型的算法和应用？

材料科学与凝聚态物理是核心方向，我们计划研究能够求解开放量子系统、含缺陷系统以及强关联系统（其行为类似超导体）性质的算法。物理定律能够解释材料的工作原理，但我们对产生这些特性的微观机制仍知之甚少。我们希望量子中心超算能够帮助我们更深入地理解物理规律，进而发现新型材料。

您将重点推进哪些新的AI项目？

我们希望利用AI设计更高效的芯片和系统，这个项目我们称之为"从算法到芯片再到系统"。这不仅仅是将AI用于CPU设计，我们同样希望用AI来设计QPU——QPU需要量子比特之间具备高度复杂的连接方式，以运行更高效的纠错码。

量子技术更广泛普及的主要障碍是什么？

我认为一个障碍在于人们普遍认为使用量子计算必须先学量子力学。我们将持续构建抽象层，让量子计算机变得更加易用。例如，IBM的开源量子编程语言Qiskit，其设计初衷就是让所有人都能轻松上手量子计算。

您从计算机科学领域的同行那里学到了什么？

我学到了很多关于HPC、软件和计算架构的知识，也深刻认识到作业调度对于管理共享计算资源的重要性。我们需要认真思考数据工作流，让计算更高效，并妥善管理量子与HPC资源，实现无缝访问。编程语言对于降低用户使用这些系统的学习门槛至关重要。

您从设计量子比特，到开始思考数据工作流，这转变太大了！

我们现在聊的是量子计算，但量子数据只存在于处理器上。一旦离开处理器，数据就变成了零和一，其中仍然包含由量子计算机处理过的"量子信息"。要让它真正发挥作用，我们需要利用量子处理器处理过的经典数据，而这就需要思考这些零和一的流动方式。这正是我在日本和HPC科学家共事两年所学到的！

IBM十年前将第一台量子计算机接入云端时，只有5个量子比特，而即将入驻芝加哥的IBM Quantum System Two将拥有超过100个量子比特。您有没有预料到会有今天？

我一直觉得自己像《爱丽丝梦游仙境》里的爱丽丝，追着兔子跑向下一个地方。我专注于一个目标，然后是下一个，再下一个，直到走到今天这个位置。如果量子计算领域没有持续进步，我大概早就停下来了，因为兔子也不会再跑了。但总有新的有趣之事值得追寻。

五年前，您因在量子比特领域的开创性工作当选美国物理学会（APS）会士，是什么让您转型离开硬件方向？

我想探索量子算法，亲自使用我花了整个职业生涯努力建造的量子计算机。但这个转型并不容易。2018年，作为一名硬件科学家，我对算法几乎一无所知。Jay Gambetta于2019年出任IBM Quantum副总裁，他是量子算法领域的专家。当他邀请我担任他的首席幕僚时，我毫不犹豫地答应了，心想这是难得的学习机会。

之后您又做了什么？

任职期满后，Jay鼓励我转入技术商务拓展岗位，我在那里学习了商业技能，并签下了几笔量子业务合作协议。我与法务团队、合同团队并肩工作，观摩同事谈判——那真的是一门艺术。此后，我赴日协助组建量子团队，与他们共同推进量子中心计算软件与算法的研究，收获了大量计算机科学知识。如今，我在芝加哥适应新角色，主导IBM量子算法合作伙伴关系。

您是如何在量子、HPC、销售、学术等不同世界之间游刃有余的？

我来自韩国，本科就读于延世大学（现已成为IBM的客户）。赴马里兰攻读博士时，我几乎不会说英语，对美国文化也很陌生，经历了漫长的融入过程。如今作为一名美国人，我感觉自己更像一个千禧一代，因为研究生院的同龄人大多都是那个年代的人，他们重塑了我的文化认知。这段经历让我变得更加灵活和适应力强。时至今日，我理解美国文化、韩国文化，也懂得日本文化。为Jay工作期间，我需要组织技术会议、协助管理团队、构建叙事框架和演示材料，学会了如何与各种背景的人沟通交流。那段经历让我成长了太多。

您曾经想过自己会走到今天这一步吗？

我从没想那么远。我只是一直追着兔子跑。在写论文时，我研究的是如何延长相干时间——这是超导量子比特的核心难题，因为当时很多人认为超导方向没有未来。但如果能让相干时间更长，计算就成为可能。我去耶鲁做第二个博士后，就是因为听说他们的量子比特相干时间达到了1.5微秒，远超我的论文水平，我当然想去那里学习！在耶鲁，我设计出了相干时间提升100倍的量子比特。正是那时，IBM向我伸出了橄榄枝——他们已经在考虑如何将量子技术产业化了。

Q&A

Q1：Transmon量子比特的相干时间突破为什么重要？

A：相干时间决定了量子比特能维持量子状态的时长，时间越长，量子计算机能执行的计算就越复杂。Hanhee Paik在耶鲁期间设计出相干时间提升100倍的量子比特，直接证明了超导量子计算机的实用可行性，这也是IBM后来建立量子计算机商业化路径的关键技术基础。

Q2：IBM与UIUC合作的Discovery加速器研究所主要研究什么？

A：研究所聚焦量子中心超算，目标是整合CPU、GPU和QPU，推进量子与高性能计算（HPC）融合。研究方向包括材料科学、凝聚态物理中的强关联系统，以及用AI辅助设计量子芯片。同时也致力于开发高效算法，让量子计算对更多学生和研究人员可及。

Q3：普通开发者怎么使用IBM的量子计算机？

A：IBM提供开源量子编程语言Qiskit，专为降低量子计算使用门槛而设计，不需要深厚的量子力学背景也能上手。此外，UIUC的研究人员可以通过云端访问IBM量子计算机，与现有HPC系统协同工作，IBM也在持续构建抽象层，让量子计算变得更加易用。