IBM最新路线图：为无服务器量子计算做好准备

 　　近日，IBM公司公布了最新路线图，计划在2025年推出具有1386个量子比特的多芯片量子计算机，以面向未来以量子为中心的超级计算时代。

　　以量子为中心的机

　　两年前，IBM发布了首个路线图“草图”：一项发展技术的三年计划，也可称为发展路线图。

　　此次，IBM更新了前述线路图，计划将QPU(量子处理单元)、CPU(中央处理器)和GPU(图像处理单元)编织到一个计算结构中，以解决超出传统资源范围的问题。

　　最新路线图的目标是建造以量子为中心的超级计算机。它将结合量子计算机、经典计算机、量子通信网络和经典网络，使其协同工作，以彻底改变计算方式。因此，IBM需要解决拓展量子计算机规模的挑战，开发一个运行环境，提高量子计算的速度与质量，并引入一个无服务器(serverless)编程模型，使量子计算机和经典计算机可以流畅地协同工作。

　　为了达成这一目标，IBM在2016年将公司研发的第一台量子计算机服务放到云端，2017年推出首个编程量子计算机的开源软件开发工具包Qiskit，2019年推出首个集成量子计算机系统IBM Quantum System One，2021年发布127个量子比特的量子计算机“鹰”，并推出Qiskit Runtime运行环境，使经典系统和量子系统协同运行。

　　此次更新的路线图将延续到2025年，IBM表示届时将消除拓展量子硬件的主要障碍，同时开发出将量子集成到计算工作流程中的技术与工具。

　　除了量子计算机，IBM正尝试将整个计算领域引入一种范式转变。

　　多年来，以CPU为中心的超级计算机一直是主要的计算处理器，而在过去几年里，以人工智能为中心的超级计算机出现，CPU和GPU可以在庞大系统中协同工作，解决繁重的工作负载。

　　如今正迎来以量子为中心的超级计算机时代，IBM计划将QPU、CPU和GPU编织到一个计算结构中。IBM表示，以量子为中心的超级计算机将用于解决更复杂的问题、进行更具开创性的研究和开发更尖端的技术。

　　为无量子计算做好准备

　　为了实现最新线路图，IBM表示还需要开发软件和基础设施，并针对不同用户需求和体验，开发不同的工具。

　　对于内核开发人员，IBM将交付并完善Qiskit Runtime:通过添加动态线路，允许量子测量的反馈和前馈来改变或引导操作过程，以扩展硬件功能，减少线路深度，允许使用不同线路构建模型，并允许对量子纠错核心的基本操作进行奇偶校验。

　　IBM计划在2023年使Qiskit Runtime能够运作并行的量子计算机，包括自动分配可并行化的任务，之后两年将在其中引入错误消除和抑制技术，为未来量子纠错奠定基础。

　　对于算法开发人员，IBM将逐步完善Qiskit Runtime服务的原语(primitives)。量子计算机的独特能力在于输出产生非经典概率分布，人们可以对概率分布进行从中采样或估计数量。原语作为一组核心功能，可以轻松高效地作用在这些分布上。

　　算法开发人员通常需要将问题分解成一系列较小的量子与经典程序，并使用一个编排层将数据流拼接到整体工作流程中。IBM将这种负责拼接的称为Quantum Serverless，其核心是支持量子与经典资源灵活组合，为开发人员分配所需要的计算资源。到2023年，IBM计划将Quantum Serverless集成到核心软件堆栈中，以实现线路编织等核心功能。线路编织技术是将较大线路分成小部分，在量子计算机上运行，然后利用经典计算机将结果重新组合在一起。

　　2022年初，IBM团队演示了一种称为纠缠锻造(entanglement forging)的线路编织方法，可以用相同数量的量子比特，将量子系统规模扩大一倍。此外，IBM还提出与经典通信并行的量子计算机将更快带来量子优势。

　　到2023年，IBM将开始为特定用例构建量子应用软件原型，并进行首个机器学习测试用例。到2025年，模型开发人员将能够探索、优化、自然科学等领域的量子应用。

　　解决量子计算机规模扩展问题

　　量子计算的核心是能使量子程序运行的硬件，这可能需要数十万甚至数百万个高质量的量子比特，因此必须扩大量子计算机规模。对此，IBM表示将分别于2022年和2023年推出433个量子比特的“鱼鹰”(Osprey)计算机和1121个量子比特的“秃鹰”(Condor)计算机，测试单计算机的极限，并将其集成到IBM Quantum System Two中的大规模量子系统。目前，IBM正在尝试将量子计算机连接到一起，以形成模块化系统，从而使规模的扩展不受物理条件限制。

　　为进一步解决规模扩展问题，IBM将采用三种循序渐进的方式：首先，在2023年引入“Heron”，一款具有133个量子比特的计算机，允许不同计算机之间的实时经典通信，从而实现前述编织技术；然后启用多芯片计算机来扩展量子计算机规模，推出408个量子比特计算机“Crossbill”，包含三个通过耦合器连接的芯片，以实现模块化扩展；之后，于2024年推出内置链路、462个量子比特计算机“Flamingo”，并将三个Flamingo组成1386个量子比特系统，以通过计算机之间的量子通信实现并行。IBM预计这种链路将导致跨处理器的量子门速度较慢、保真度较低，因此需要软件配合，以更好地利用系统。

　　IBM表示，最终将把前述方法结合在一起，于2025年推出具有1386个量子比特、带有链路的多芯片机“Kookaburra”，并利用三块Kookaburra组成4158个量子比特系统作为演示，为用户提供大规模系统服务。