开创计算机的量子时代，IBM公布新的路线图
光子盒研究院出品
5月10日，IBM宣布更新其实现大规模实用量子计算的路线图，该路线图详细介绍了新的模块化架构和网络计划，2022-2025年计划每年推出一款新的量子系统，到2025年实现4000+量子比特。为了使这些系统具有实用量子计算所需的速度和质量，IBM计划继续构建一个日益智能化的软件编排层，以高效地分配工作负载并消除基础设施挑战。
2022版路线图
IBM开创实用量子计算时代的工作将利用三大支柱：鲁棒和可扩展的量子硬件；尖端的量子软件，用于编排和实现可访问的和强大的量子程序；以及一个由量子就绪的组织和社区组成的广泛的全球生态系统。
IBM最初在2020年公布了其量子路线图。从那时起，该公司已经实现了其时间表上的每个目标。其中包括2021年的Eagle，这是一款127量子比特处理器，其量子电路无法在经典计算机上准确可靠地模拟，其架构为拥有越来越多量子比特的处理器奠定了基础。
此外，与2017年的一项实验相比，IBM使用Qiskit Runtime（IBM的容器化量子计算服务和编程模型）模拟分子的能力提高了120倍。今年晚些时候，IBM预计将继续其路线图上先前设定的目标，并推出其433量子比特处理器Osprey。
2020版路线图
2021版路线图（纳入软件）
IBM高级副总裁兼研究总监Darío Gil说：“短短两年内，我们的团队在现有的量子路线图上取得了令人难以置信的进展。凭借我们的Qiskit Runtime平台，以及我们路线图中概述的硬件、软件和理论目标的进步，我们打算开创一个以量子为中心的超级计算机时代，这将为我们的开发人员社区、合作伙伴和客户打开巨大而强大的计算空间。”
一台能够充分发挥其潜力的量子计算机可能需要数十万甚至数百万个高质量量子比特，因此IBM正在扩大量子处理器的规模。随着433量子比特的Osprey处理器和1121量子比特的Condor处理器(分别于2022年和2023年发布)，IBM将测试单芯片处理器的极限，并控制集成到IBM Quantum System Two（量子系统二号）中的大规模量子系统。但IBM不打算在一个巨型芯片上实现大规模量子计算机。而是开发将处理器连接到一个模块化系统的方法，该系统能够不受物理限制地扩展。
为了解决规模问题，IBM将引入三种不同的方法。
首先，在2023年，他们将推出一个133量子比特的处理器Heron，带有控制硬件，允许在不同处理器之间进行实时经典通信，可以实现IBM专门的编织技术。
注：电路编织技术将较大的电路分解成更小的部分以在量子计算机上运行，然后使用经典计算机将结果重新组合在一起。
第二种方法是通过启用多芯片处理器来扩展量子处理器的规模。Crossbill是一个408量子比特处理器，将由三个芯片组成，通过芯片到芯片耦合器连接，允许在多个芯片上连续实现重六边形网格。这种架构的目标是让用户感觉他们只是在使用一个更大的处理器。
133量子比特的Heron处理器，计划于2023年推出
除了通过多芯片处理器的模块化连接进行扩展，还计划在2024年引入第三种方法：处理器之间的量子通信，以支持量子并行化。届时IBM将推出内置量子通信链路的462量子比特Flamingo处理器，然后通过将至少三个Flamingo处理器连接成一个1386量子比特系统来展示这种架构。
IBM预计，这种连接将导致处理器之间的门速度变慢、保真度降低。因此软件开发需要了解这种架构考虑，以便用户最好地利用这个系统。
通过独立芯片之间的双量子比特门进行量子通信
IBM将把所有这些进步结合在一起，以实现它们的全部潜力。2025年将推出Kookaburra处理器，这是一个1386量子比特的多芯片处理器，带有量子通信链路。作为演示，IBM将为用户将三个Kookaburra芯片连接成一个通过量子通信连接的4158量子比特系统。
2025年IBM将推出1386量子比特多芯片处理器Kookaburra，通过对量子并行化的通信链路支持，三个Kookaburra芯片可以连接成一个4158量子比特的系统
IBM说，这些技术的结合——经典并行化、多芯片量子处理器和量子并行化——提供了实现路线图目标所需的所有要素。到2025年，IBM将通过模块化量子硬件以及随之而来的控制电子设备和低温基础设施，有效地消除扩大量子处理器的主要障碍。
IBM认为，在他们的软件和硬件中推动模块化将是实现远远领先于竞争对手的规模的关键。
在硬件突破的同时，该路线图还提出了软件里程碑，以改进错误抑制和缓解。这些技术目前取得的进展正在提高量子软件的能力，以最大限度地减少噪声对用户应用程序的影响，并为未来的纠错量子系统铺平道路。
今年早些时候，IBM推出了Qiskit Runtime原语，将算法中使用的常见量子硬件查询封装到易于使用的接口中。2023年，IBM计划扩展这些原语，使开发人员在并行量子处理器上运行它们，从而加速用户的应用程序。
这些原语将推动IBM在2023年将Quantum Serverless(量子无服务器架构)交付到其核心软件堆栈中的目标，使开发人员能够轻松利用灵活的量子和经典资源。
注：无服务器架构的意义在于，为了给用户带来价值，需要将IBM的编程模型无缝地融入他们的工作流程，这样他们就可以专注于自己的代码，而不必担心部署和基础设施。
而作为更新路线图的一部分，Quantum Serverless还将为IBM软件堆栈中的核心功能打下基础，以便在弹性经典和量子资源之间进行智能权衡和切换；形成以量子为中心的超级计算架构。
IBM扩展的量子路线图上的新系统将被设计为在IBM量子系统二号内运行。量子系统二号将模块化和灵活性融入技术堆栈的每一层，将提供成功连接多个量子处理器所需的基础设施。
参考链接：
[1]https://newsroom.ibm.com/2022-05-10-IBM-Unveils-New-Roadmap-to-Practical-Quantum-Computing-Era-Plans-to-Deliver-4,000-Qubit-System
[2]https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025