IBM最新路線圖：為無(wú)服務(wù)器量子計(jì)算做好準(zhǔn)備

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

  以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)

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

  此次，IBM更新了前述線路圖，計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)中，以解決超出傳統(tǒng)資源范圍的問(wèn)題。

  最新路線圖的目標(biāo)是建造以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)。它將結(jié)合量子計(jì)算機(jī)、經(jīng)典計(jì)算機(jī)、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(jì)算方式。因此，IBM需要解決拓展量子計(jì)算機(jī)規(guī)模的挑戰(zhàn)，開發(fā)一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，提高量子計(jì)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(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)可以流暢地協(xié)同工作。

  為了達(dá)成這一目標(biāo)，IBM在2016年將公司研發(fā)的第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)服務(wù)放到云端，2017年推出首個(gè)編程量子計(jì)算機(jī)的開源軟件開發(fā)工具包Qiskit，2019年推出首個(gè)集成量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)IBM Quantum System One，2021年發(fā)布127個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)“鷹”，并推出Qiskit Runtime運(yùn)行環(huán)境，使經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行。

  此次更新的路線圖將延續(xù)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)開發(fā)出將量子集成到計(jì)算工作流程中的技術(shù)與工具。

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

  多年來(lái)，以CPU為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)一直是主要的計(jì)算處理器，而在過(guò)去幾年里，以人工智能為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)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(fù)載。

  如今正迎來(lái)以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)代，IBM計(jì)劃將QPU、CPU和GPU編織到一個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)中。IBM表示，以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)將用于解決更復(fù)雜的問(wèn)題、進(jìn)行更具開創(chuàng)性的研究和開發(fā)更尖端的技術(shù)。

  為無(wú)服務(wù)器量子計(jì)算做好準(zhǔn)備

  為了實(shí)現(xiàn)最新線路圖，IBM表示還需要開發(fā)軟件和基礎(chǔ)設(shè)施，并針對(duì)不同用戶需求和體驗(yàn)，開發(fā)不同的工具。

  對(duì)于內(nèi)核開發(fā)人員，IBM將交付并完善Qiskit Runtime:通過(guò)添加動(dòng)態(tài)線路，允許量子測(cè)量的反饋和前饋來(lái)改變或引導(dǎo)操作過(guò)程，以擴(kuò)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(duì)量子糾錯(cuò)核心的基本操作進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。

  IBM計(jì)劃在2023年使Qiskit Runtime能夠運(yùn)作并行的量子計(jì)算機(jī)，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(cuò)誤消除和抑制技術(shù)，為未來(lái)量子糾錯(cuò)奠定基礎(chǔ)。

  對(duì)于算法開發(fā)人員，IBM將逐步完善Qiskit Runtime服務(wù)的原語(yǔ)(primitives)。量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特能力在于輸出產(chǎn)生非經(jīng)典概率分布，人們可以對(duì)概率分布進(jìn)行從中采樣或估計(jì)數(shù)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(shù)據(jù)流拼接到整體工作流程中。IBM將這種負(fù)責(zé)拼接的基礎(chǔ)設(shè)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(jì)算資源。到2023年，IBM計(jì)劃將Quantum Serverless集成到核心軟件堆棧中，以實(shí)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(jì)算機(jī)上運(yùn)行，然后利用經(jīng)典計(jì)算機(jī)將結(jié)果重新組合在一起。

  2022年初，IBM團(tuán)隊(duì)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(kuò)大一倍。此外，IBM還提出與經(jīng)典通信并行的量子計(jì)算機(jī)將更快帶來(lái)量子優(yōu)勢(shì)。

  到2023年，IBM將開始為特定用例構(gòu)建量子應(yīng)用軟件原型，并進(jìn)行首個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)測(cè)試用例。到2025年，模型開發(fā)人員將能夠探索機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化、自然科學(xué)等領(lǐng)域的量子應(yīng)用。

  解決量子計(jì)算機(jī)規(guī)模擴(kuò)展問(wèn)題

  量子計(jì)算的核心是能使量子程序運(yùn)行的硬件，這可能需要數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量的量子比特，因此必須擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)規(guī)模。對(duì)此，IBM表示將分別于2022年和2023年推出433個(gè)量子比特的“魚鷹”(Osprey)計(jì)算機(jī)和1121個(gè)量子比特的“禿鷹”(Condor)計(jì)算機(jī)，測(cè)試單芯片計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)連接到一起，以形成模塊化系統(tǒng)，從而使規(guī)模的擴(kuò)展不受物理?xiàng)l件限制。

  為進(jìn)一步解決規(guī)模擴(kuò)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(jì)算機(jī)，允許不同計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)經(jīng)典通信，從而實(shí)現(xiàn)前述編織技術(shù);然后啟用多芯片計(jì)算機(jī)來(lái)擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)規(guī)模，推出408個(gè)量子比特計(jì)算機(jī)“Crossbill”，包含三個(gè)通過(guò)耦合器連接的芯片，以實(shí)現(xiàn)模塊化擴(kuò)展;之后，于2024年推出內(nèi)置量子通信鏈路、462個(gè)量子比特計(jì)算機(jī)“Flamingo”，并將三個(gè)Flamingo組成1386個(gè)量子比特系統(tǒng)，以通過(guò)計(jì)算機(jī)之間的量子通信實(shí)現(xiàn)并行。IBM預(yù)計(jì)這種鏈路將導(dǎo)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(gè)量子比特、帶有量子通信鏈路的多芯片量子計(jì)算機(jī)“Kookaburra”，并利用三塊Kookaburra芯片組成4158個(gè)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(wù)。