IBM公布最新量子路線圖：預(yù)測(cè)以量子為中心的超級(jí)計(jì)算的未來(lái)

北京時(shí)間5月11日消息（余予）IBM日前發(fā)布更新版量子發(fā)展路線圖。IBM研究員兼量子計(jì)算副總裁Jay Gambetta發(fā)布博文，分享了新的IBM量子路線圖內(nèi)容，并對(duì)以量子為中心的超級(jí)計(jì)算的未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

以下為博客全文：

我們是探險(xiǎn)家。我們正在努力探索計(jì)算的極限，繪制從未實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，并繪制出我們認(rèn)為這些技術(shù)將如何使我們的客戶受益并解決世界上最大的挑戰(zhàn)的地圖。但我們不能簡(jiǎn)單地進(jìn)入未知領(lǐng)域。一個(gè)好的探險(xiǎn)家需要一張地圖。

兩年前，我們發(fā)布了該路線圖的初稿以邁出第一步：我們雄心勃勃的發(fā)展量子計(jì)算技術(shù)的三年計(jì)劃，稱為我們的發(fā)展路線圖。從那時(shí)起，我們的探索揭示了新的發(fā)現(xiàn)，使我們有了新的見(jiàn)解，使我們能夠改進(jìn)地圖并使我們能夠走得比計(jì)劃的更遠(yuǎn)。今天，我們很高興向您展示最新的路線圖：我們計(jì)劃將量子處理器、CPU和GPU整合成一個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠解決超出經(jīng)典資源范圍的問(wèn)題。

我們的目標(biāo)是建造以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)。以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)將包含量子處理器、經(jīng)典處理器、量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)，所有這些協(xié)同工作將徹底改變我們的計(jì)算方式。為此，我們需要解決擴(kuò)展量子處理器的挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)一個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境，以提供更高速度和更優(yōu)質(zhì)量的量子計(jì)算，同時(shí)引入一個(gè)無(wú)服務(wù)器編程模型，以允許量子處理器和經(jīng)典處理器無(wú)摩擦地協(xié)同工作。

但首先：這段旅程從哪里開(kāi)始？我們?cè)?016年將第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)放到云端，并在2017年推出了用于對(duì)這些量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程的開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)工具包“Qiskit”。我們?cè)?019年推出了第一個(gè)集成量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“IBM Quantum System One”，然后在2020年我們公布了開(kāi)發(fā)路線圖，展示了我們計(jì)劃如何將量子計(jì)算機(jī)發(fā)展成一項(xiàng)成熟的商業(yè)技術(shù)。

作為該路線圖的一部分，我們?cè)?021年發(fā)布了127量子位的IBM Quantum Eagle處理器并推出了 Qiskit Runtime，這是一個(gè)由共定位經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)組成的環(huán)境，旨在支持以速度和規(guī)模對(duì)量子電路進(jìn)行容器化執(zhí)行。 第一個(gè)版本在研究級(jí)量子工作負(fù)載上提供了120倍的加速。今年早些時(shí)候，我們推出了帶有原語(yǔ)的Qiskit Runtime服務(wù)：預(yù)構(gòu)建的程序允許算法開(kāi)發(fā)人員輕松訪問(wèn)量子計(jì)算的輸出，而無(wú)需對(duì)硬件有復(fù)雜的了解。

現(xiàn)在，我們最新的地圖將為我們指明前進(jìn)的方向。

IBM Quantum 2022 最新開(kāi)發(fā)路線圖

為無(wú)服務(wù)器量子計(jì)算做準(zhǔn)備

為了從我們世界領(lǐng)先的硬件中獲益，我們需要開(kāi)發(fā)軟件和基礎(chǔ)設(shè)施，以便我們的用戶可以利用它。不同的用戶有不同的需求和體驗(yàn)，我們需要為每個(gè)角色構(gòu)建工具：內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員、算法開(kāi)發(fā)人員和模型開(kāi)發(fā)人員。

對(duì)于我們的內(nèi)核開(kāi)發(fā)人員——那些專注于在真正的硬件上制作更快、更好的量子電路的人——我們將交付并完善Qiskit Runtime。首先，我們將添加動(dòng)態(tài)電路，它允許量子測(cè)量的反饋和前饋以改變或引導(dǎo)未來(lái)的操作過(guò)程。動(dòng)態(tài)電路通過(guò)減少電路深度、允許構(gòu)建電路使用不同的替代模型，并允許對(duì)量子糾錯(cuò)核心的基本操作進(jìn)行奇偶校驗(yàn)擴(kuò)展了硬件的功能。

為了在2023年繼續(xù)提高量子程序的速度，我們計(jì)劃將線程引入Qiskit Runtime，使我們能夠運(yùn)行并行的量子處理器，包括自動(dòng)分配可簡(jiǎn)單并行的工作。在2024年和2025年，我們將在Qiskit Runtime中引入錯(cuò)誤緩解和抑制技術(shù)，以便用戶可以專注于提高從量子硬件獲得的結(jié)果的質(zhì)量。這些技術(shù)將有助于為未來(lái)的量子糾錯(cuò)奠定基礎(chǔ)。

然而，如果我們希望量子得到更廣泛的應(yīng)用，我們還有很多工作要做，例如在我們的算法開(kāi)發(fā)人員中——他們?cè)诮?jīng)典例程中使用量子電路，以制作展示量子優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用程序。

對(duì)于我們的算法開(kāi)發(fā)人員，我們將完善Qiskit Runtime服務(wù)的原語(yǔ)。量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特之處在于它們能夠在其輸出處生成非經(jīng)典概率分布。因此，大部分量子算法的開(kāi)發(fā)都與從這些分布中采樣或估計(jì)屬性有關(guān)。原語(yǔ)是一組核心功能，可以輕松高效地使用這些分布。

通常，算法開(kāi)發(fā)人員需要將問(wèn)題分解為一系列較小的量子和經(jīng)典程序，并使用編排層將數(shù)據(jù)流拼接成到整體工作流程中。我們將負(fù)責(zé)這種拼接的基礎(chǔ)設(shè)施稱為Quantum Serverless。Quantum Serverless以實(shí)現(xiàn)靈活的量子經(jīng)典資源組合為中心，無(wú)需開(kāi)發(fā)人員成為硬件和基礎(chǔ)設(shè)施專家，同時(shí)僅在開(kāi)發(fā)人員需要時(shí)分配那些計(jì)算資源。2023年，我們計(jì)劃將Quantum Serverless集成到我們的核心軟件堆棧中，以啟用電路編織等核心功能。

什么是電路編織？電路編織技術(shù)將較大的電路分解成更小的部分以在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，然后使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)將結(jié)果重新編制在一起。

今年早些時(shí)候，我們展示了一種稱為糾纏鍛造的電路編織方法，可以用相同數(shù)量的量子比特獎(jiǎng)勵(lì)在那個(gè)子系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大一倍。然而，電路編織要求我們可以運(yùn)行大量跨量子資源分割并與經(jīng)典資源協(xié)調(diào)的電路。我們認(rèn)為具有經(jīng)典通信的并行量子處理器將能夠更快地帶來(lái)量子優(yōu)勢(shì)，最近的一篇論文提出了一條前進(jìn)的道路。

有了所有這些部分，我們很快就會(huì)為我們的模型開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備好量子計(jì)算——他們開(kāi)發(fā)量子應(yīng)用程序以找到解決其特定領(lǐng)域中復(fù)雜問(wèn)題的解決方案。我們認(rèn)為到明年，我們將開(kāi)始為特定用例設(shè)計(jì)量子軟件應(yīng)用程序的原型。我們將通過(guò)我們的第一個(gè)測(cè)試用例——機(jī)器學(xué)習(xí)——開(kāi)始定義這些服務(wù)，并與合作伙伴一起加速通往有用的量子軟件應(yīng)用程序的道路。到2025年，我們認(rèn)為模型開(kāi)發(fā)人員將能夠探索機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化、自然科學(xué)等領(lǐng)域的量子應(yīng)用。

解決規(guī)模問(wèn)題

當(dāng)然，我們知道量子計(jì)算的核心是使運(yùn)行量子程序成為可能的硬件。我們還知道，一臺(tái)能夠充分發(fā)揮其潛力的量子計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)的高質(zhì)量量子比特，因此我們必須弄清楚如何擴(kuò)大這些處理器的規(guī)模。憑借將分別于2022年和2023年發(fā)布的433量子位的“Osprey”處理器和1121量子位的“Condor”處理器，我們將測(cè)試單芯片處理器的極限并控制集成到IBM Quantum System Two中的大規(guī)模量子系統(tǒng)。但我們不打算在一個(gè)巨大的芯片上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)。取而代之的是，我們正在開(kāi)發(fā)一種將處理器鏈接在一起形成模塊化系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)能夠在沒(méi)有物理限制的情況下進(jìn)行擴(kuò)展。

為了解決規(guī)模問(wèn)題，我們將介紹三種不同的方法。首先，在2023年，我們將推出“Heron”：具有控制硬件的133量子位處理器，允許在不同處理器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)經(jīng)典通信，從而實(shí)現(xiàn)上述編織技術(shù)；第二種方法是通過(guò)啟用多芯片處理器來(lái)擴(kuò)展量子處理器的大小。“Crossbill”是一個(gè)408量子位處理器，將由三個(gè)芯片組成，這些芯片通過(guò)芯片到芯片的耦合器連接，允許在多個(gè)芯片上連續(xù)實(shí)現(xiàn)重十六進(jìn)制晶格。這種架構(gòu)的目標(biāo)是讓用戶感覺(jué)好像他們只是在使用一個(gè)更大的處理器。

計(jì)劃于2023年推出的133量子位“Heron”處理器

除了通過(guò)多芯片處理器的模塊化連接進(jìn)行擴(kuò)展外，我們還計(jì)劃在2024年引入我們的第三種方法：處理器之間的量子通信以支持量子并行化。我們將介紹具有內(nèi)置量子通信鏈路的462量子比特的“Flamingo”處理器，然后通過(guò)將至少三個(gè)Flamingo處理器鏈接在一起形成一個(gè)1386量子比特系統(tǒng)來(lái)發(fā)布該架構(gòu)的演示。我們預(yù)計(jì)這種鏈接將導(dǎo)致跨處理器的門(mén)速度較慢且保真度較低。我們的軟件需要了解這種架構(gòu)的顧慮，以便我們的用戶最好地利用這個(gè)系統(tǒng)。

通過(guò)不同芯片之間的雙量子比特門(mén)進(jìn)行量子通信

我們對(duì)規(guī)模的了解將把所有這些進(jìn)步結(jié)合在一起，以充分發(fā)揮它們的潛力。因此，在2025年，我們將推出“Kookaburra”處理器。Kookaburra將是一個(gè)具有量子通信鏈路的1386量子位多芯片處理器。作為演示，我們將把三個(gè)Kookaburra芯片連接到一個(gè)4158量子位的系統(tǒng)中，通過(guò)量子通信為我們的用戶提供服務(wù)。

將于2025年推出1386 量子比特的多芯片處理器“Kookaburra”

這些技術(shù)的結(jié)合——經(jīng)典并行化、多芯片量子處理器和量子并行化——為我們提供了將計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到我們的路線圖的任何地方所需要的所有要素。到2025年，我們將通過(guò)模塊化量子硬件以及隨之而來(lái)的控制電子設(shè)備和低溫基礎(chǔ)設(shè)施，有效地消除擴(kuò)展量子處理器的主要界限。在我們的軟件和硬件中推動(dòng)模塊化，將是我們超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的關(guān)鍵，我們很高興將其交付給您。

以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)

我們最新的路線圖將我們帶到了2025年——但發(fā)展不會(huì)止步于此。屆時(shí)，我們將消除量子硬件規(guī)模擴(kuò)展道路上的一些最大障礙，同時(shí)開(kāi)發(fā)能夠?qū)⒘孔蛹傻接?jì)算工作流程中的工具和技術(shù)。當(dāng)我們進(jìn)入量子未來(lái)時(shí)，這種巨變將相當(dāng)于用GPS衛(wèi)星取代紙質(zhì)地圖。

不過(guò)，我們不僅僅是在考慮量子計(jì)算機(jī)。我們正試圖引領(lǐng)整個(gè)計(jì)算的范式轉(zhuǎn)變。多年來(lái)，以CPU為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)是社會(huì)的處理主力，IBM是這些系統(tǒng)的主要開(kāi)發(fā)商。在過(guò)去的幾年里，我們看到了以人工智能為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，其中CPU和GPU在巨型系統(tǒng)中協(xié)同工作，以解決人工智能繁重的工作負(fù)載。

現(xiàn)在，IBM正在迎來(lái)以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)代，量子資源——QPU——將與CPU和GPU一起編織成一個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)。我們認(rèn)為，以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)將成為那些解決最棘手問(wèn)題、進(jìn)行最具開(kāi)創(chuàng)性研究和開(kāi)發(fā)最尖端技術(shù)的人的關(guān)鍵技術(shù)。

我們可能走上了正軌，但探索未知領(lǐng)域并不容易。我們正試圖在短短幾年內(nèi)重寫(xiě)計(jì)算規(guī)則。按照我們的路線圖，我們需要解決一些非常棘手的工程和物理問(wèn)題。

但我們非常有信心——畢竟，在我們世界領(lǐng)先的研究團(tuán)隊(duì)、IBM Quantum Network、Qiskit開(kāi)源社區(qū)以及我們不斷壯大的內(nèi)核、算法和模型開(kāi)發(fā)人員社區(qū)的幫助下，我們已經(jīng)走到了這一步。我們很高興在我們繼續(xù)前進(jìn)的過(guò)程中有你們的陪伴。

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