IBM最新路線圖:計劃製造以量子為中心的超級計算機

近日,IBM公司公佈了最新路線圖,計劃在2025年推出具有1386個量子比特的多晶元量子計算機,以面向未來以量子為中心的超級計算時代。

1386個量子比特的多晶元計算機Kookaburra,三張晶元可組成4158個量子比特系統,圖片來自IBM

以量子為中心的超級計算機

兩年前,IBM發佈了首個路線圖「草圖」:一項發展量子計算技術的三年計劃,也可稱為發展路線圖。

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)編織到一個計算結構中,以解決超出傳統資源範圍的問題。

最新路線圖的目標是建造以量子為中心的超級計算機。它將結合量子計算機、經典計算機、量子通信網路和經典網路,使其協同工作,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,開發一個運行環境,提高量子計算的速度與質量,並引入一個無伺服器(serverless)編程模型,使量子計算機和經典計算機可以流暢地協同工作。

為了達成這一目標,IBM在2016年將公司研發的第一台量子計算機服務放到雲端,2017年推出首個編程量子計算機的開源軟體開發工具包Qiskit,2019年推出首個集成量子計算機系統IBM Quantum System One,2021年發佈127個量子比特的量子計算機「鷹」,並推出Qiskit Runtime運行環境,使經典系統和量子系統協同運行。

此次更新的路線圖將延續到2025年,IBM表示屆時將消除拓展量子硬體的主要障礙,同時開發出將量子集成到計算工作流程中的技術與工具。

除了量子計算機,IBM正嘗試將整個計算領域引入一種範式轉變。

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,而在過去幾年裡,以人工智慧為中心的超級計算機出現,CPU和GPU可以在龐大系統中協同工作,解決人工智慧繁重的工作負載。

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編織到一個計算結構中。IBM表示,以量子為中心的超級計算機將用於解決更複雜的問題、進行更具開創性的研究和開發更尖端的技術。

133個量子比特的「Heron」計算機,圖片來自IBM

為無伺服器量子計算做好準備

為了實現最新線路圖,IBM表示還需要開發軟體和基礎設施,並針對不同用戶需求和體驗,開發不同的工具。

對於內核開發人員,IBM將交付並完善Qiskit Runtime:通過添加動態線路,允許量子測量的反饋和前饋來改變或引導操作過程,以擴展硬體功能,減少線路深度,允許使用不同線路構建模型,並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,之後兩年將在其中引入錯誤消除和抑制技術,為未來量子糾錯奠定基礎。

對於演算法開發人員,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於輸出產生非經典機率分佈,人們可以對機率分佈進行從中採樣或估計數量。原語作為一組核心功能,可以輕鬆高效地作用在這些分佈上。

演算法開發人員通常需要將問題分解成一系列較小的量子與經典程序,並使用一個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為Quantum Serverless,其核心是支持量子與經典資源靈活組合,為開發人員分配所需要的計算資源。到2023年,IBM計劃將Quantum Serverless集成到核心軟體堆棧中,以實現線路編織等核心功能。線路編織技術是將較大線路分成小部分,在量子計算機上運行,然後利用經典計算機將結果重新組合在一起。

2022年初,IBM團隊演示了一種稱為糾纏鍛造(entanglement forging)的線路編織方法,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還提出與經典通信并行的量子計算機將更快帶來量子優勢。

到2023年,IBM將開始為特定用例構建量子應用軟體原型,並進行首個機器學習測試用例。到2025年,模型開發人員將能夠探索機器學習、優化、自然科學等領域的量子應用。

IBM發佈的最新路線圖,圖片來自IBM

解決量子計算機規模擴展問題

量子計算的核心是能使量子程序運行的硬體,這可能需要數十萬甚至數百萬個高質量的量子比特,因此必須擴大量子計算機規模。對此,IBM表示將分別於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,測試單晶元計算機的極限,並將其集成到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。

為進一步解決規模擴展問題,IBM將採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典通信,從而實現前述編織技術;然後啟用多晶元計算機來擴展量子計算機規模,推出408個量子比特計算機「Crossbill」,包含三個通過耦合器連接的晶元,以實現模塊化擴展;之後,於2024年推出內置量子通信鏈路、462個量子比特計算機「Flamingo」,並將三個Flamingo組成1386個量子比特系統,以通過計算機之間的量子通信實現并行。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,因此需要軟體配合,以更好地利用系統。

IBM表示,最終將把前述方法結合在一起,於2025年推出具有1386個量子比特、帶有量子通信鏈路的多晶元量子計算機「Kookaburra」,並利用三塊Kookaburra晶元組成4158個量子比特系統作為演示,為用戶提供大規模系統服務。

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