IBM最新路線圖：為無服務器量子計算做好準備

  ICC訊 近日，IBM公司公布了最新路線圖，計劃在2025年推出具有1386個量子比特的多芯片量子計算機，以面向未來以量子為中心的超級計算時代。

  以量子為中心的超級計算機

  兩年前，IBM發(fā)布了首個路線圖“草圖”：一項發(fā)展量子計算技術(shù)的三年計劃，也可稱為發(fā)展路線圖。

  此次，IBM更新了前述線路圖，計劃將QPU(量子處理單元)、CPU(中央處理器)和GPU(圖像處理單元)編織到一個計算結(jié)構(gòu)中，以解決超出傳統(tǒng)資源范圍的問題。

  最新路線圖的目標是建造以量子為中心的超級計算機。它將結(jié)合量子計算機、經(jīng)典計算機、量子通信網(wǎng)絡和經(jīng)典網(wǎng)絡，使其協(xié)同工作，以徹底改變計算方式。因此，IBM需要解決拓展量子計算機規(guī)模的挑戰(zhàn)，開發(fā)一個運行環(huán)境，提高量子計算的速度與質(zhì)量，并引入一個無服務器(serverless)編程模型，使量子計算機和經(jīng)典計算機可以流暢地協(xié)同工作。

  為了達成這一目標，IBM在2016年將公司研發(fā)的第一臺量子計算機服務放到云端，2017年推出首個編程量子計算機的開源軟件開發(fā)工具包Qiskit，2019年推出首個集成量子計算機系統(tǒng)IBM Quantum System One，2021年發(fā)布127個量子比特的量子計算機“鷹”，并推出Qiskit Runtime運行環(huán)境，使經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)協(xié)同運行。

  此次更新的路線圖將延續(xù)到2025年，IBM表示屆時將消除拓展量子硬件的主要障礙，同時開發(fā)出將量子集成到計算工作流程中的技術(shù)與工具。

  除了量子計算機，IBM正嘗試將整個計算領(lǐng)域引入一種范式轉(zhuǎn)變。

  多年來，以CPU為中心的超級計算機一直是主要的計算處理器，而在過去幾年里，以人工智能為中心的超級計算機出現(xiàn)，CPU和GPU可以在龐大系統(tǒng)中協(xié)同工作，解決人工智能繁重的工作負載。

  如今正迎來以量子為中心的超級計算機時代，IBM計劃將QPU、CPU和GPU編織到一個計算結(jié)構(gòu)中。IBM表示，以量子為中心的超級計算機將用于解決更復雜的問題、進行更具開創(chuàng)性的研究和開發(fā)更尖端的技術(shù)。

  為無服務器量子計算做好準備

  為了實現(xiàn)最新線路圖，IBM表示還需要開發(fā)軟件和基礎(chǔ)設施，并針對不同用戶需求和體驗，開發(fā)不同的工具。

  對于內(nèi)核開發(fā)人員，IBM將交付并完善Qiskit Runtime:通過添加動態(tài)線路，允許量子測量的反饋和前饋來改變或引導操作過程，以擴展硬件功能，減少線路深度，允許使用不同線路構(gòu)建模型，并允許對量子糾錯核心的基本操作進行奇偶校驗。

  IBM計劃在2023年使Qiskit Runtime能夠運作并行的量子計算機，包括自動分配可并行化的任務，之后兩年將在其中引入錯誤消除和抑制技術(shù)，為未來量子糾錯奠定基礎(chǔ)。

  對于算法開發(fā)人員，IBM將逐步完善Qiskit Runtime服務的原語(primitives)。量子計算機的獨特能力在于輸出產(chǎn)生非經(jīng)典概率分布，人們可以對概率分布進行從中采樣或估計數(shù)量。原語作為一組核心功能，可以輕松高效地作用在這些分布上。

  算法開發(fā)人員通常需要將問題分解成一系列較小的量子與經(jīng)典程序，并使用一個編排層將數(shù)據(jù)流拼接到整體工作流程中。IBM將這種負責拼接的基礎(chǔ)設施稱為Quantum Serverless，其核心是支持量子與經(jīng)典資源靈活組合，為開發(fā)人員分配所需要的計算資源。到2023年，IBM計劃將Quantum Serverless集成到核心軟件堆棧中，以實現(xiàn)線路編織等核心功能。線路編織技術(shù)是將較大線路分成小部分，在量子計算機上運行，然后利用經(jīng)典計算機將結(jié)果重新組合在一起。

  2022年初，IBM團隊演示了一種稱為糾纏鍛造(entanglement forging)的線路編織方法，可以用相同數(shù)量的量子比特，將量子系統(tǒng)規(guī)模擴大一倍。此外，IBM還提出與經(jīng)典通信并行的量子計算機將更快帶來量子優(yōu)勢。

  到2023年，IBM將開始為特定用例構(gòu)建量子應用軟件原型，并進行首個機器學習測試用例。到2025年，模型開發(fā)人員將能夠探索機器學習、優(yōu)化、自然科學等領(lǐng)域的量子應用。

  解決量子計算機規(guī)模擴展問題

  量子計算的核心是能使量子程序運行的硬件，這可能需要數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個高質(zhì)量的量子比特，因此必須擴大量子計算機規(guī)模。對此，IBM表示將分別于2022年和2023年推出433個量子比特的“魚鷹”(Osprey)計算機和1121個量子比特的“禿鷹”(Condor)計算機，測試單芯片計算機的極限，并將其集成到IBM Quantum System Two中的大規(guī)模量子系統(tǒng)。目前，IBM正在嘗試將量子計算機連接到一起，以形成模塊化系統(tǒng)，從而使規(guī)模的擴展不受物理條件限制。

  為進一步解決規(guī)模擴展問題，IBM將采用三種循序漸進的方式：首先，在2023年引入“Heron”，一款具有133個量子比特的計算機，允許不同計算機之間的實時經(jīng)典通信，從而實現(xiàn)前述編織技術(shù);然后啟用多芯片計算機來擴展量子計算機規(guī)模，推出408個量子比特計算機“Crossbill”，包含三個通過耦合器連接的芯片，以實現(xiàn)模塊化擴展;之后，于2024年推出內(nèi)置量子通信鏈路、462個量子比特計算機“Flamingo”，并將三個Flamingo組成1386個量子比特系統(tǒng)，以通過計算機之間的量子通信實現(xiàn)并行。IBM預計這種鏈路將導致跨處理器的量子門速度較慢、保真度較低，因此需要軟件配合，以更好地利用系統(tǒng)。

  IBM表示，最終將把前述方法結(jié)合在一起，于2025年推出具有1386個量子比特、帶有量子通信鏈路的多芯片量子計算機“Kookaburra”，并利用三塊Kookaburra芯片組成4158個量子比特系統(tǒng)作為演示，為用戶提供大規(guī)模系統(tǒng)服務。