以量子为中心的超级计算，IBM 更新量子路线图
FUTURE | 远见 闵青云 选编
IBM日前发布更新版量子发展路线图。IBM研究员兼量子计算副总裁Jay Gambetta发布博文，分享了新的IBM量子路线图内容，并对以量子为中心的超级计算的未来进行预测。
IBM是探险家。正在努力探索计算的极限，绘制从未实现的技术路线图，并绘制出认为这些技术将如何使其客户受益并解决世界上最大的挑战的路线图。一个好的探险家需要一张路线图。
两年前，IBM发布了该路线图的初稿以迈出第一步：发展量子计算技术的三年计划，称为发展路线图。从那时起，他的探索揭示了新的发现，获得了更敏锐的洞察力，使其能够改进路线图并比计划的更远。今天，展示该路线图的更新：计划将QPU（量子处理器）、CPU 和 GPU 编织到一个计算结构中，该结构能够解决超出经典资源范围的问题。
IBM的目标是建造以量子为中心的超级计算机。以量子为中心的超级计算机将包含量子处理器、经典处理器、量子通信网络和经典网络，所有这些都将共同工作以彻底改变计算方式。为此，需要解决扩展量子处理器的挑战，开发一个运行环境以提供更高速度和质量的量子计算，并引入serverless编程模型以允许量子处理器和经典处理器协同工作。
这段旅程从哪里开始？IBM在 2016 年将第一台量子计算机放到云端，并在 2017 年推出了用于对这些量子计算机进行编程的开源软件开发工具包—Qiskit。在 2019 年推出了第一个集成量子计算机系统—IBM Quantum System One，然后在 2020 年发布了开发路线图，展示了计划如何将量子计算机成熟为商业技术。
作为该路线图的一部分，在 2021 年发布了127 量子比特Eagle处理器并推出了Qiskit Runtime，这是一个由经典系统和量子系统协同的运行环境，用于支持在速度和规模上执行量子线路。
现在，IBM更新的路线图将指明前进的方向。
来源：IBM官网
为serverless 量子计算做准备
为了从世界领先的硬件中受益，IBM需要开发软件和基础设施，以便用户可以利用它。不同的用户有不同的需求和体验，需要为每个角色构建工具。
对于IBM的内核开发人员，将交付和完善Qiskit Runtime。首先，IBM将添加动态线路，允许量子测量的反馈和前馈以改变或引导未来操作的过程。动态线路通过减少线路深度、允许构建线路的替代模型以及启用量子纠错核心的基本操作的校验来扩展硬件的功能。
为了继续提高量子程序的速度，计划在 2023 年使 Qiskit Runtime 能够操作并行化的量子处理器。在 2024 年和 2025 年，将在 Qiskit Runtime 中引入错误缓解和抑制技术，以便用户可以专注于提高从量子硬件获得的结果。这些技术将有助于为未来的量子纠错奠定基础。
但是，如果希望量子能找到更广泛的用途，还有工作要做。对于算法开发人员，将完善Qiskit Runtime服务的原语（primitives）。量子计算机的独特之处在于产生非经典概率分布。因此，大部分量子算法的开发都与从这些分布中采样或估计属性有关。原语是一组核心功能，可以轻松高效地使用这些分布。
通常，算法开发人员需要将问题分解为一系列较小的量子和经典程序，并使用编排层将数据流拼接成一个整体工作流程。IBM称负责这种拼接的基础设施Quantum Serverless。Quantum Serverless以实现灵活的量子经典资源组合为中心，无需开发人员成为硬件和基础设施专家，同时只分配开发人员需要的那些计算资源。2023 年，计划将 Quantum Serverless 集成到其核心软件堆栈中，以启用线路编织等核心功能。
什么是线路编织？线路编织技术将较大的线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。
今年早些时候，IBM展示了一种称为纠缠锻造（entanglement forging）的线路编织方法，相同数量的量子比特处理的量子系统的大小加倍。然而，线路编织要求能够运行许多跨越量子资源的线路，并且能够用经典资源进行编排。IBM认为将量子处理器与经典通信并行化将能够更快地带来量子优势，最近的一篇论文提出了一条前进的道路。
有了所有这些部分，很快就可以为模型开发人员准备好量子计算。IBM预计到明年，将开始为特定用例设计量子软件应用程序的原型。将开始用第一个测试案例—机器学习—来定义这些服务，并与合作伙伴一起加速走向有用的量子软件应用程序的道路。到 2025 年，IBM认为模型开发人员将能够探索机器学习、优化、自然科学等领域的量子应用。
解决扩展问题
当然，量子计算的核心是量子程序运行在稳定的量子硬件上。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的高质量量子比特，因此必须弄清楚如何扩大这些处理器的规模。借助 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），将测试单芯片处理器的极限，并集成到 IBM Quantum System Two 的大规模量子系统。但IBM不打算在giant chip（巨型芯片）上实现大规模量子计算。相反，他们正在开发将量子处理器连接在一起形成模块化系统的方法，该系统能够在没有物理限制的情况下进行扩展。
为了解决扩展问题，将介绍三种不同的方法。首先，在 2023 年推出「Heron」：133 量子比特处理器，允许在不同处理器之间进行实时经典通信，从而实现上述编织技术。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大小。「Crossbill」是一个 408 量子比特处理器，将由三个芯片组成，这些芯片通过耦合器连接，允许跨多个芯片连续实现heavy-hex lattices。这种架构的目标是让用户感觉好像他们只是在使用一个更大的处理器。
除了通过多芯片处理器的模块化连接进行扩展外，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。他们介绍具有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 处理器链接在一起形成一个 1386 量子比特系统来发布该架构的演示。预计此链路将导致跨处理器的门速度较慢且保真度较低。软件需要考虑这种架构，以便用户最好地利用这个系统。
最后，把上述方法结合在一起，以充分发挥它们的潜力。在 2025 年，将推出「Kookaburra」处理器。Kookaburra 将是一个具有量子通信链路的 1386 量子比特多芯片处理器。作为演示，将三个 Kookaburra 芯片连接到一个 4158 量子比特的系统中，通过量子通信为用户连接。
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，提供了路线图所需要的所有要素。到 2025 年，将通过模块化量子硬件以及随附的控制电子设备和低温基础设施有效地消除扩展量子处理器的主要界限。在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关键。
以量子为中心的超级计算机
更新的路线图延续到了 2025 年，但发展不会止步于此。届时，将消除扩展量子硬件的一些最大障碍，同时开发能够将量子集成到计算工作流程中的工具和技术。当进入未来量子时代，这种巨变将相当于用 GPS 卫星取代纸质路线图。
不过，IBM不仅仅是在考虑量子计算机，同时正试图引发整个计算范式的转变。多年来，以 CPU 为中心的超级计算机是社会计算的处理主力。在过去的几年里，以人工智能为中心的超级计算机的出现，其中 CPU 和 GPU 在巨型系统中协同工作，以解决人工智能繁重的工作负载。
现在，正在迎来以量子为中心的超级计算机时代，QPU将与 CPU 和 GPU 一起编织成一个新的计算架构。以量子计算为中心的超级计算机将成为那些解决最棘手问题、最具开创性研究以及开发最尖端技术的基本工具。
值得一提的是，对于「QPU将与CPU和GPU一起编织成一个新的计算架构」的构想，同样在光量子研究领域达成共识。考虑到光量子芯片可大规模集成、室温下运行、低能耗等优势，光量子计算路线对于量子-经典混合算法架构具有明显的现实优势。
目前在全球范围内已形成重要影响力，且备受资本青睐的三家光量子初创公司分别是PsiQ、Xanadu和TuringQ「图灵量子」。目前，三家公司均已对此不同程度的开展实践。
据悉，作为国内首家光量子计算公司TuringQ「图灵量子」，在2021年已提出了DeepQuantum量子-经典混合算法架构，使得量子-经典混合的神经网络在应用实现上有巨大潜力，结合底层的CPU、GPU以及光子芯片和光量子芯片的异构架构的支撑有望实现更高的运行效率和更低的能耗。
原文链接：
https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025#fn-1
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