解析IBM量子計(jì)算路線圖：六大“里程碑”實(shí)現(xiàn)完整基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建

北京時(shí)間12月15日消息（余予）IBM 在上個(gè)月舉行的2021 年量子峰會(huì)上全面展示了其在量子計(jì)算方面穩(wěn)步發(fā)展的亮點(diǎn)，大多數(shù)HPC社區(qū)在SC21上進(jìn)行了討論。在今年實(shí)現(xiàn)的六個(gè)里程碑的支持下，IBM宣布2023年將是其系統(tǒng)提供量子優(yōu)勢的一年，量子計(jì)算作為高性能計(jì)算（ HPC）領(lǐng)域的強(qiáng)大工具，將占據(jù)早期位置。

目前，量子計(jì)算領(lǐng)域取得的進(jìn)展令人印象深刻，其速度之快可能超出了許多觀察者的預(yù)期。在這種情況下，長期以來，IBM一直在量子計(jì)算領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位，其幾乎深入研究了這一領(lǐng)域的各個(gè)方面、用例以及客戶/開發(fā)人員的參與。當(dāng)然，盡管目前還不清楚在眾多量子比特技術(shù)中哪一種將占上風(fēng)，IBM專注于基于半導(dǎo)體的超導(dǎo)量子比特技術(shù)。很可能不會(huì)只有一個(gè)。

去年，IBM制定了詳細(xì)的量子路線圖，其中包含圍繞硬件、軟件和系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的里程碑。在今年的IBM量子峰會(huì)上，IBM研究員兼量子計(jì)算副總裁Jay Gambetta與幾位同事共同提交了一份成績單，并展望了IBM的未來計(jì)劃。他強(qiáng)調(diào)了六個(gè)里程碑——尤其是IBM最近推出的127量子比特量子處理器Eagle，以及IBM System Two的計(jì)劃，這是一個(gè)新的完整的基礎(chǔ)設(shè)施，將取代System One。

從很多方面來說，IBM 路線圖包含了量子社區(qū)中每個(gè)人所面臨的挑戰(zhàn)和愿望。

雖然容錯(cuò)量子計(jì)算仍然遙不可及，但量子計(jì)算在嘈雜中型量子 (NISQ) 計(jì)算機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用似乎比許多人預(yù)期的要近。我們開始看到早期基于量子的應(yīng)用程序的出現(xiàn)——主要圍繞隨機(jī)數(shù)生成。

在深入研究技術(shù)討論之前，值得注意的是，IBM 預(yù)計(jì)商業(yè)格局將如何出現(xiàn)。IBM 與波士頓咨詢集團(tuán)合作，提出了商業(yè)應(yīng)用程序的粗略路線圖。

“IBM的路線圖不僅僅是具體的，也是雄心勃勃的。”波士頓咨詢集團(tuán)深度技術(shù)負(fù)責(zé)人兼北美負(fù)責(zé)人Matt Langione 在IBM 峰會(huì)上表示，“我們認(rèn)為IBM今天概述的技術(shù)能力將可能在上述期間為最終用戶創(chuàng)造30 億美元的價(jià)值。”

以金融服務(wù)中的投資組合優(yōu)化為例。Langione 表示，擴(kuò)大基于經(jīng)典計(jì)算的優(yōu)化器的努力“與非連續(xù)非凸函數(shù)，如利率收益率曲線、交易日志、買入閾值和交易成本等問題作斗爭”。量子優(yōu)化器可以克服這些挑戰(zhàn)，并且“到2024年，通過集成經(jīng)典資源并內(nèi)置錯(cuò)誤緩解功能的量子運(yùn)行時(shí)，以4個(gè)9的極高的保真度將交易策略提高多達(dá)25個(gè)基點(diǎn)。我們相信，這種能力在2025年左右可能會(huì)出現(xiàn)在交易員的工作流程中”他說。

他還特別指出了航空航天和汽車設(shè)計(jì)中用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的網(wǎng)格優(yōu)化器，它們具有類似的約束條件。他預(yù)測：“在接下來的三年里，量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)超越表面尺寸和精度的極限。”

量子計(jì)算并不缺少宏偉的計(jì)劃。IBM認(rèn)為，通過制定清晰的愿景并實(shí)現(xiàn)其里程碑，它將吸引觀望社區(qū)以及量子社區(qū)內(nèi)的更廣泛的支持。以下是Gambetta及其同事對六個(gè)主題的簡要總結(jié)。

1. 打破100量子比特的壁壘

隨著2019年Falcon處理器的推出，IBM開始正式統(tǒng)計(jì)其當(dāng)前的量子處理器產(chǎn)品組合；它引入了IBM的重六邊形量子位布局，并具有27個(gè)量子位。從那以后，IBM一直在改進(jìn)這種設(shè)計(jì)。“Hummingbird”量子處理器于2020年首次亮相，擁有65個(gè)量子位。“Eagle”近日在其2021年峰會(huì)上推出，擁有127 個(gè)量子位。每個(gè)新處理器的量子比特?cái)?shù)大約增加了一倍。接下來，IBM計(jì)劃在2022年推出具有433個(gè)量子位的“Osprey” 。

IBM 量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow 表示，“對于Falcon，我們面臨的挑戰(zhàn)是可靠的產(chǎn)量。我們通過新穎的約瑟夫森結(jié)調(diào)諧過程與我們減少碰撞的重六邊形晶格相結(jié)合來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。通過Hummingbird，我們實(shí)現(xiàn)了大比例復(fù)用讀出，使我們能夠?qū)⒘孔游粻顟B(tài)讀出所需的總低溫基礎(chǔ)設(shè)施降低8倍。這減少了所需的原始組件數(shù)量。”

“Eagle是作為擴(kuò)大我們進(jìn)行設(shè)備封裝方式的需求而誕生，以便我們能夠以更有效的方式將信號(hào)傳輸?shù)匠瑢?dǎo)量子位。我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工作在很大程度上依賴于IBM在CMOS技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際上是兩個(gè)芯片。”

對于Eagle來說，“約瑟夫森結(jié)基座（量子位）位于一個(gè)芯片上，該芯片通過凸點(diǎn)鍵合連接到一個(gè)單獨(dú)的中介層芯片。該內(nèi)插器芯片通過在整個(gè)CMOS 世界中通用的封裝技術(shù)提供與量子位的連接。其中包括基板通孔和掩埋布線層之類的東西，這對這項(xiàng)技術(shù)來說是全新的。掩埋層的存在為信號(hào)路由和器件布局提供了靈活性。”Chow表示。

在最近的技術(shù)分析師會(huì)議上，IBM量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示，“我可以肯定地說，這是有史以來最先進(jìn)的量子計(jì)算芯片，其是世界上首個(gè)超過100 個(gè)量子位的量子處理器。就此而言，它有127個(gè)量子位排列在我們眾所周知的重六邊形晶格中。讓我強(qiáng)調(diào)一下，它不僅是我們制造的一個(gè)處理器，也是一個(gè)運(yùn)行著量子電路的完整工作系統(tǒng)。”

除此之外，Jerry Chow稱Eagle 將在今年年底前廣泛使用，這大概意味著現(xiàn)在。

看看Eagle 的影響，IBM表示，“增加的量子比特?cái)?shù)將允許用戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)探索新的復(fù)雜程度的問題，例如優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)或建模新的分子和材料，以用于從能源工業(yè)到藥物發(fā)現(xiàn)過程的各個(gè)領(lǐng)域。‘Eagle’是IBM的第一個(gè)量子處理器，其規(guī)模使得經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法模擬。事實(shí)上，在127 量子比特處理器上表示一種狀態(tài)所需的經(jīng)典位數(shù)量超過了當(dāng)今75 億人的原子總數(shù)。”

如前所述，Osprey將于明年推出，將擁有433 個(gè)量子比特，Chow 表示，它將推出“下一代可擴(kuò)展的輸入輸出，可以將信號(hào)從室溫傳遞到低溫。”

2.克服門錯(cuò)誤障礙

測量量子計(jì)算的質(zhì)量可能很棘手。諸如相干持續(xù)時(shí)間和門控保真度等關(guān)鍵組件受到系統(tǒng)和環(huán)境噪聲等許多因素的不利影響?？朔@些影響是大多數(shù)量子處理器被安裝在大型稀釋冰箱中的原因。IBM開發(fā)了一個(gè)基準(zhǔn)指標(biāo)，即量子體積 (QV)，其中包含各種性能屬性，并且其已經(jīng)在量子社區(qū)中得到了相當(dāng)廣泛的使用。IBM在其某些系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了QV 128?；裟犴f爾（現(xiàn)在的Quantinuum）也報(bào)告稱其俘獲離子裝置實(shí)現(xiàn)了QV 128。

在IBM 量子峰會(huì)上，IBM 研究員兼首席量子架構(gòu)師Matthias Steffen 回顧了在延長相干時(shí)間和提高門保真度方面的進(jìn)展。

“我們在新的Falcon r8 處理器上取得了突破。我們已經(jīng)成功地將T1 時(shí)間（自旋-晶格弛豫）從大約 0.1 毫秒顯著提高到0.3 毫秒。這一突破不僅限于單片式（良好的成品率）?，F(xiàn)在已經(jīng)重復(fù)了幾次。事實(shí)上，我們的一些客戶可能已經(jīng)注意到最近為IBM Peekskill 顯示的設(shè)備地圖，”Steffen表示。“這只是開始。我們已經(jīng)測試了幾個(gè)研究測試設(shè)備，現(xiàn)在我們正在測試接近可靠地跨越 1 毫秒的障礙的0.6 毫秒。”

“今年我們也取得了突破，提高了門限保真度。您可以看到這些改進(jìn)（下圖）按設(shè)備系列顏色編碼。我們的Falcon r4器件通常實(shí)現(xiàn)接近0.5x10-3的柵極誤差。我們的Falcon r5器件還包括更快的讀數(shù)，性能大約好1/3。事實(shí)上，我們最近的許多演示都來自這個(gè)r5設(shè)備系列。最后，在金色中，您會(huì)看到我們的一些最新測試設(shè)備，其中包括改進(jìn)了相干時(shí)間的Falcon r8。”

“您還可以看到其他設(shè)備的保真度測量結(jié)果，包括我們最近開發(fā)的Falcon r10，我們在上面測量了一個(gè)雙量子位門，打破了每個(gè)門平面0.001的誤差。”Steffen表示。

IBM正在鼓吹實(shí)現(xiàn)0.001 門保真度，這相當(dāng)于每個(gè)錯(cuò)誤超過1000個(gè)門，達(dá)到3個(gè)9或99.9%的質(zhì)量，這是一個(gè)重要的里程碑。

3.主流Falcon r5

目前，F(xiàn)alcon 架構(gòu)是IBM的主力。正如IBM所解釋的，可訪問QPU的產(chǎn)品組合包括核心和探索性芯片：“我們的用戶可以訪問探索性設(shè)備，但這些設(shè)備并非一直在線。付費(fèi)用戶可以同時(shí)訪問核心和探索系統(tǒng)。”

IBM表示有三個(gè)衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)——質(zhì)量、速度和規(guī)模。其中，速度是一個(gè)核心要素，IB將速度定義為電路層每秒操作數(shù) (CLOPS)，大致類似于經(jīng)典計(jì)算用語中的 FLOPS。測量速度至關(guān)重要，因?yàn)榭焖?、高質(zhì)量的電路可以在更短的時(shí)間內(nèi)解決復(fù)雜的問題。一旦量子體積基準(zhǔn)測試確定了電路質(zhì)量，隨后就可以編譯電路并在硬件上運(yùn)行以計(jì)算CLOPS。

“這是無可避免的。”IBM量子理論與應(yīng)用系統(tǒng)總監(jiān)Katie Pizzolato表示，“有用的量子計(jì)算需要運(yùn)行大量電路。大多數(shù)應(yīng)用程序至少需要運(yùn)行十億次。如果我的系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)電路需要5毫秒以上，這很簡單，運(yùn)行10 億個(gè)電路需要 58 天；這不是有用的量子計(jì)算。”

在最低級別上，QPU的速度由底層架構(gòu)驅(qū)動(dòng)。“這是我們選擇超導(dǎo)量子比特的原因之一。在這些系統(tǒng)中，我們可以輕松地將量子位與處理器中的諧振器耦合。這為我們提供了快速門、快速重置和快速讀出速度的基本原理。”Pizzolato表示。

“以Falcon r5處理器為例，這是對Falcon r4的巨大升級。在r5中，我們將新組件集成到處理器中，其測量速率比r4快八倍，且不影響相干性。這使得測量速率從幾微秒變?yōu)閹装偌{秒。再加上我們在柵極時(shí)間上所做的其他改進(jìn)，就可以使用Falcon r5向前邁進(jìn)一大步。”Katie Pizzolato表示。

IBM 現(xiàn)在正式將Falcon r5標(biāo)記為核心系統(tǒng)，這是探索性的一步。

“我們正在確保Falcon r5正常運(yùn)行并具有高可靠性。我們相信讀取速度更快的r5可以保持高可用性，因此現(xiàn)在將其標(biāo)記為核心系統(tǒng)，”Pizzolato說。

Pizzolato 沒有給出Falcon r5 的具體 CLOPS 數(shù)字，但在 12 月初的另一次HPC 專業(yè)人士協(xié)會(huì)的演講中，IBM量子副總裁兼首席技術(shù)官Scott Crowder展示的一張幻燈片表明，IBM的CLOPS為4.3（盡管沒有具體說明是哪個(gè) QPU），捕獲離子的CLOPS 為45。

4.IBM所有系統(tǒng)都支持Qiskit Runtime

今年5月，IBM推出了Qiskit Runtime測試版，據(jù)稱這是“IBM Quantum 提供的一種新架構(gòu)，可以簡化需要多次迭代的計(jì)算”。這個(gè)想法是利用經(jīng)典系統(tǒng)來加速對QPU的訪問，這與CPU在經(jīng)典計(jì)算中管理對GPU的訪問的方式不同。現(xiàn)在所有IBM QPU都支持Qiskit Runtime。

“我們創(chuàng)建了Qiskit Runtime，作為在可以非?？焖僭L問量子硬件的環(huán)境中執(zhí)行經(jīng)典代碼的容器平臺(tái)。”Pizzolato表示，“它徹底改變了量子硬件的使用模式。它允許用戶向IBM的量子數(shù)據(jù)中心提交電路程序，而不是簡單的提交電路。這種方法使我們獲得了120倍的改進(jìn)。像VQE（變分量子特征求解器）這樣的程序，過去需要我們運(yùn)行45天，而現(xiàn)在，我們可以在9個(gè)小時(shí)內(nèi)解決同樣的問題。”

IBM認(rèn)為，這些進(jìn)步加上127量子位的“Eagle”處理器意味著，“沒有人真的需要再使用模擬器了”。

以下是IBM網(wǎng)站上的Qiskit Runtime描述：“Qiskit Runtime允許授權(quán)用戶上傳他們的Qiskit量子程序供自己或他人使用。Qiskit量子程序，也稱為Qiskit Runtime程序，是一段Python代碼，它接受特定的輸入，執(zhí)行量子計(jì)算，也可能是經(jīng)典計(jì)算，交互式地提供中間結(jié)果（如果需要的話），并返還處理結(jié)果。然后，相同或其他授權(quán)用戶可以通過簡單地傳遞所需的輸入?yún)?shù)來調(diào)用這些量子程序。”

5.Serverless Quantum介紹

IBM表示，Qiskit Runtime是一項(xiàng)更廣泛努力的一部分，通過云將經(jīng)典資源和量子資源更緊密地結(jié)合在一起，并創(chuàng)建無服務(wù)器量子計(jì)算。這將是消除開發(fā)人員現(xiàn)在面臨的許多障礙的一大步。

“Qiskit Runtime通過將我們的QPU與經(jīng)典資源相結(jié)合以消除延遲并提高效率，從而在電路級別從我們的QPU中獲得更多性能。我們用小寫字母c稱其為經(jīng)典，”IBM研究人員Sarah Sheldon表示，“我們還發(fā)現(xiàn)，我們可以利用經(jīng)典資源來加速實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢的進(jìn)程，并讓我們更早到達(dá)那里。”

“為了做到這一點(diǎn)，我們用大寫字母C稱之為‘使用經(jīng)典’。這些功能將同時(shí)存在于在內(nèi)核和算法層面。我們將它們視為一組工具，允許用戶在量子資源和經(jīng)典資源之間進(jìn)行權(quán)衡，從而在內(nèi)核級別優(yōu)化應(yīng)用程序的整體性能。這通過用于采樣時(shí)間、演化等的電路庫來實(shí)現(xiàn)。但在算法層面，我們看到了一個(gè)未來，我們將提供預(yù)構(gòu)建的Qiskit Runtime，并結(jié)合經(jīng)典集成庫。我們稱之為電路編織（Circuit Knitting）”Sarah Sheldon表示。

從廣義上講，電路編織是一種將一個(gè)具有更多量子位和更大門深度的大型量子電路分解為多個(gè)具有更少量子位作為更小門深度的更小的量子電路的技術(shù)；然后在經(jīng)典的后期處理中將結(jié)果組合在一起。“這使我們能夠模擬比以往任何時(shí)候都大得多的系統(tǒng)。我們還可以沿著有高水平噪聲或串?dāng)_的邊緣編織電路。這讓我們能夠以更高的準(zhǔn)確度模擬量子系統(tǒng)，”Sheldon 指出。

IBM報(bào)告稱，他們僅使用5個(gè)量子位及一種特定的“糾纏鍛造”技術(shù)模擬水分子的基態(tài)，將電路編織到弱糾纏的兩半，從而演示了電路編織。IBM 表示，通過電路編織，用戶可以通過使用這些工具進(jìn)行速度權(quán)衡，來擴(kuò)大所解決問題的規(guī)?；蛱岣呓Y(jié)果的質(zhì)量。

這些新功能被捆綁到 IBM 云上的IBM Code Engine中。IBM表示，代碼引擎與較低級別的工具結(jié)合將提供無服務(wù)器計(jì)算。 Pizzolato舉例說明，“第一步是定義問題。在這種情況下，我們使用VQE；其次，我們使用 Python 多云分布式計(jì)算框架 Lithops 來執(zhí)行代碼。在這個(gè)函數(shù)中，我們打開一個(gè)與 Qiskit Runtime 的通信通道，并運(yùn)行程序估計(jì)器。”

“例如，在經(jīng)典計(jì)算中，我們使用同時(shí)擾動(dòng)隨機(jī)近似算法。這只是一個(gè)例子；你可以把任何東西放在這里。所以現(xiàn)在用戶可以坐下來享受結(jié)果。隨著開發(fā)人員越來越多地采用量子，量子無服務(wù)器使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊拇a，而不會(huì)被拖到配置經(jīng)典資源的過程中，”她表示。

6、System Two的早期計(jì)劃

IBM的最終聲明是，它正在“結(jié)束”IBM Quantum System One，IBM Quantum System One是其全封閉量子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施，于2019年首次亮相。IBM量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示，System One將能夠處理“Eagle”，但 IBM正在與芬蘭公司Bluefors合作開發(fā)其下一代低溫基礎(chǔ)設(shè)施System Two。

“我們正在積極開發(fā)一套全新的技術(shù)，從新型高密度、低溫微波柔性電纜到新一代基于FPGA的高帶寬、集成控制電子設(shè)備。”Chow表示。

Bluefors公司推出了其最新的低溫平臺(tái)Kide，它將成為IBM System Two的基礎(chǔ)。

“我們將其稱為Kide，因?yàn)樵诜姨m語中，Kide 的意思是雪花或水晶，它代表了平臺(tái)的六邊形晶體幾何形狀，使其具有前所未有的可擴(kuò)展性和訪問權(quán)限。” Bluefors 的 Russell Lake 表示，“即使我們創(chuàng)建了一個(gè)更大的平臺(tái)，我們也能維持與較小系統(tǒng)相同的用戶可訪問性。隨著先進(jìn)量子硬件規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這一點(diǎn)至關(guān)重要。我們通過將量子處理器的冷卻與運(yùn)行熱負(fù)載分離來優(yōu)化冷卻功率。此外，平臺(tái)密鑰的六重對稱性意味著系統(tǒng)可以連接和集群，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展的量子硬件配置。”

“IBM Quantum System Two的模塊化特性將成為未來量子數(shù)據(jù)中心的基石，”Gambetta表示。據(jù)推測，433量子比特的Osprey處理器將安裝在新System Two基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)版本中。

實(shí)際上，有許多公司致力于IBM討論的所有量子計(jì)算方面的工作，但很少有公司能夠解決所有這些問題。出于這個(gè)原因，IBM的報(bào)告對整個(gè)量子社區(qū)的總體進(jìn)展進(jìn)行了有趣的概述。

在2023年實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢，即使只是少數(shù)應(yīng)用，也將是一件大事。

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