IBM最新路線(xiàn)圖：為無(wú)服務(wù)器量子計算做好準備

  ICC訊 近日，IBM公司公布了最新路線(xiàn)圖，計劃在2025年推出具有1386個(gè)量子比特的多芯片量子計算機，以面向未來(lái)以量子為中心的超級計算時(shí)代。

  以量子為中心的超級計算機

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

  此次，IBM更新了前述線(xiàn)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(gè)計算結構中，以解決超出傳統資源范圍的問(wèn)題。

  最新路線(xiàn)圖的目標是建造以量子為中心的超級計算機。它將結合量子計算機、經(jīng)典計算機、量子通信網(wǎng)絡(luò )和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò )，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模的挑戰，開(kāi)發(fā)一個(gè)運行環(huán)境，提高量子計算的速度與質(zhì)量，并引入一個(gè)無(wú)服務(wù)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(wù)放到云端，2017年推出首個(gè)編程量子計算機的開(kāi)源軟件開(kāi)發(fā)工具包Qiskit，2019年推出首個(gè)集成量子計算機系統IBM Quantum System One，2021年發(fā)布127個(gè)量子比特的量子計算機“鷹”，并推出Qiskit Runtime運行環(huán)境，使經(jīng)典系統和量子系統協(xié)同運行。

  此次更新的路線(xiàn)圖將延續到2025年，IBM表示屆時(shí)將消除拓展量子硬件的主要障礙，同時(shí)開(kāi)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(gè)計算領(lǐng)域引入一種范式轉變。

  多年來(lái)，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(guò)去幾年里，以人工智能為中心的超級計算機出現，CPU和GPU可以在龐大系統中協(xié)同工作，解決人工智能繁重的工作負載。

  如今正迎來(lái)以量子為中心的超級計算機時(shí)代，IBM計劃將QPU、CPU和GPU編織到一個(gè)計算結構中。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(wèn)題、進(jìn)行更具開(kāi)創(chuàng )性的研究和開(kāi)發(fā)更尖端的技術(shù)。

  為無(wú)服務(wù)器量子計算做好準備

  為了實(shí)現最新線(xiàn)路圖，IBM表示還需要開(kāi)發(fā)軟件和基礎設施，并針對不同用戶(hù)需求和體驗，開(kāi)發(fā)不同的工具。

  對于內核開(kāi)發(fā)人員，IBM將交付并完善Qiskit Runtime:通過(guò)添加動(dòng)態(tài)線(xiàn)路，允許量子測量的反饋和前饋來(lái)改變或引導操作過(guò)程，以擴展硬件功能，減少線(xiàn)路深度，允許使用不同線(xiàn)路構建模型，并允許對量子糾錯核心的基本操作進(jìn)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(dòng)分配可并行化的任務(wù)，之后兩年將在其中引入錯誤消除和抑制技術(shù)，為未來(lái)量子糾錯奠定基礎。

  對于算法開(kāi)發(fā)人員，IBM將逐步完善Qiskit Runtime服務(wù)的原語(yǔ)(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(jìn)行從中采樣或估計數量。原語(yǔ)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(kāi)發(fā)人員通常需要將問(wèn)題分解成一系列較小的量子與經(jīng)典程序，并使用一個(gè)編排層將數據流拼接到整體工作流程中。IBM將這種負責拼接的基礎設施稱(chēng)為Quantum Serverless，其核心是支持量子與經(jīng)典資源靈活組合，為開(kāi)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(shí)現線(xiàn)路編織等核心功能。線(xiàn)路編織技術(shù)是將較大線(xiàn)路分成小部分，在量子計算機上運行，然后利用經(jīng)典計算機將結果重新組合在一起。

  2022年初，IBM團隊演示了一種稱(chēng)為糾纏鍛造(entanglement forging)的線(xiàn)路編織方法，可以用相同數量的量子比特，將量子系統規模擴大一倍。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(lái)量子優(yōu)勢。

  到2023年，IBM將開(kāi)始為特定用例構建量子應用軟件原型，并進(jìn)行首個(gè)機器學(xué)習測試用例。到2025年，模型開(kāi)發(fā)人員將能夠探索機器學(xué)習、優(yōu)化、自然科學(xué)等領(lǐng)域的量子應用。

  解決量子計算機規模擴展問(wèn)題

  量子計算的核心是能使量子程序運行的硬件，這可能需要數十萬(wàn)甚至數百萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量的量子比特，因此必須擴大量子計算機規模。對此，IBM表示將分別于2022年和2023年推出433個(gè)量子比特的“魚(yú)鷹”(Osprey)計算機和1121個(gè)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中的大規模量子系統。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，從而使規模的擴展不受物理條件限制。

  為進(jìn)一步解決規模擴展問(wèn)題，IBM將采用三種循序漸進(jìn)的方式：首先，在2023年引入“Heron”，一款具有133個(gè)量子比特的計算機，允許不同計算機之間的實(shí)時(shí)經(jīng)典通信，從而實(shí)現前述編織技術(shù);然后啟用多芯片計算機來(lái)擴展量子計算機規模，推出408個(gè)量子比特計算機“Crossbill”，包含三個(gè)通過(guò)耦合器連接的芯片，以實(shí)現模塊化擴展;之后，于2024年推出內置量子通信鏈路、462個(gè)量子比特計算機“Flamingo”，并將三個(gè)Flamingo組成1386個(gè)量子比特系統，以通過(guò)計算機之間的量子通信實(shí)現并行。IBM預計這種鏈路將導致跨處理器的量子門(mén)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。

  IBM表示，最終將把前述方法結合在一起，于2025年推出具有1386個(gè)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(gè)量子比特系統作為演示，為用戶(hù)提供大規模系統服務(wù)。