IBM 在以量子为中心的超级计算机上下大赌注

在 2022 年 6 月，橡树岭国家实验室就首次推出了世界上最强大的超级计算机 Frontier。Frontier 每秒可以执行 10 亿次计算。然而，Frontier 可能永远无法在合理的时间内解决一些计算问题。

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其中一些问题就像将大量数字分解为素数一样简单。其他方面是当今地球面临的最重要的问题之一，例如为治疗新出现的疾病的药物快速建模复杂分子，以及开发更高效的碳捕获或电池材料。

然而，在未来十年，我们预计会出现一种不同于以往任何形式的新型超级计算。它不仅可以潜在地解决这些问题，而且我们希望它能以一小部分成本、占地面积、时间和能源来实现。这种新的超级计算范式将采用一种全新的计算架构，该架构在原子水平上反映了物质的奇怪行为——量子计算。

几十年来，量子计算机一直在努力实现商业可行性。为这些计算机提供动力的量子行为对环境噪声极其敏感，并且很难扩展到足够大的机器来进行有用的计算。但在过去十年中，已经取得了几项关键进展，包括硬件的改进以及如何处理噪声的理论进步。这些进步使量子计算机最终达到了经典计算机难以跟上的性能水平，至少在某些特定的计算方面是这样。

IBM 第一次看到了通往有用量子计算机的道路，我们可以开始想象计算的未来会是什么样子。我们预计量子计算不会取代经典计算。相反，量子计算机和经典计算机将协同工作，以运行超出单独使用任何一方所能进行的计算。世界各地的几家超级计算机设施已经计划将量子计算硬件集成到其系统中，包括德国的 Jupiter、日本的 Fugaku 和波兰的 PSNC。虽然它以前被称为混合量子经典计算，并且可能还有其他名称，但我们称其为以量子为中心的视觉超级计算。

比特和量子比特的故事

我们对以量子为中心的超级计算机愿景的核心是量子硬件，我们称之为量子处理单元 （QPU）。QPU 在某些任务中比经典处理单元表现得更好，这来自于一种根本不同的工作原理，它植根于量子力学的物理学。

在标准或 “经典” 计算模型中，我们可以将所有信息简化为二进制数字字符串，简称位，它可以取 0 或 1 的值。我们可以使用简单的逻辑门来处理这些信息，例如 AND、OR、NOT 和 NAND，它们一次作用于一个或两个位。经典计算机的 “状态” 由其所有位的状态决定。所以，如果你有 N 位，那么计算机可以只在 2 位中的一个N国家。

但是量子计算机在计算过程中可以访问更丰富的状态库。量子计算机也有比特。但是，它的量子比特（量子比特）不是 0 和 1，而是通过称为叠加的量子属性表示 0、1 或两者的线性组合。虽然数字计算机只能位于这 2 个中的一个N状态，则量子计算机在计算过程中可以同时处于多个逻辑状态。不同量子比特所在的叠加态可以以基本方式相互关联，这要归功于另一种称为纠缠的量子特性。在计算结束时，量子比特只采用一种状态，该状态是根据量子算法运行期间生成的概率选择的。

目前尚不清楚这种计算范式如何优于经典范式。但在 1994 年，麻省理工学院的数学家彼得·肖尔 （Peter Shor） 发现了一种算法，该算法使用量子计算范式，可以比最好的经典算法快得多地将大数划分为质因数。两年后，Lov Grover 发现了一种量子算法，它可以比经典算法更快地在数据库中查找特定条目。

也许最重要的是，由于量子计算机遵循量子力学定律，因此它们是模拟我们世界基本量子现象的正确工具，例如用于药物发现或材料设计的分子相互作用。

以量子为中心的超级计算机的中心

在我们构建以量子为中心的超级计算机之前，我们必须确保它能够做一些有用的事情。构建功能足够强大的 QPU 依赖于构建可以重新创建违反直觉的量子行为的硬件。

在 IBM，量子计算的基本构建块 — 量子比特 — 由超导组件组成。每个物理量子比特都由两个超导板组成，它们充当电容器，连接到称为 Josephson 结的组件，这些组件充当特殊的无损非线性电感器。

流经 Josephson 结的电流被量化 - 固定为离散值。Josephson 交汇点确保其中只有两个值（或其叠加）是实际可访问的。量子比特以两个当前级别编码，一个表示 0，另一个表示 1。但是，如前所述，量子比特也可以存在于 0 和 1 状态的叠加中。

由于超导体需要寒冷的温度来维持超导性，因此量子比特及其一些控制电路被保存在称为稀释制冷机的特殊液氦冰箱内。

我们更改量子比特状态，并将量子比特与量子指令（通常称为门）耦合在一起。这些是一系列特制的微波波形。QPU 包括负责接受一组量子指令（称为量子电路）并返回由二进制字符串表示的单个输出的所有硬件。QPU 包括量子比特和放大信号的组件、控制电子设备以及将指令保存在内存中、积累信号和分离噪声以及创建单个二进制输出等任务所需的经典计算。我们将量子比特、用于读出的谐振器、输出滤波器和量子总线等组件蚀刻到沉积在硅芯片顶部的超导层中。

但是，尝试在超敏感量子级别控制量子比特是一项挑战。外部噪声、来自电子设备的噪声以及不同量子比特的控制信号之间的串扰都会破坏量子比特脆弱的量子特性。控制这些噪声源是我们可以设想有用的以量子为中心的超级计算机的关键。

让 Quantum Stuff 达到 Snuff

目前还没有人最终证明量子优势，也就是说，量子计算机在现实世界的相关任务上优于最好的经典计算机。展示真正的量子优势将预示着计算的新时代，以前棘手的任务现在触手可及。

在我们实现这个宏伟的目标之前，我们必须把目光放得更低一些，一个我们称之为量子效用的目标。量子效用是量子硬件胜过量子电路的蛮力经典计算的能力。换句话说，这是量子硬件比传统计算机更擅长执行量子计算的地方。

低温系统允许量子计算机在接近绝对零度的情况下运行。

这听起来可能平淡无奇，但它是通往量子优势的必要垫脚石。近年来，量子社区终于达到了这个门槛。我们在 2023 年展示了 QPU 的量子效用，这让我们相信，我们的量子硬件足够先进，值得构建到以量子为中心的超级计算机中。实现这一里程碑需要一系列进步，包括硬件和算法的改进。

自 2019 年以来，我们一直在整合半导体制造的进步，将 3D 集成引入我们的芯片。这使我们能够从放置在量子比特平面下方的控制器芯片访问量子比特，以减少芯片上的布线，这是潜在的噪声源。我们还引入了读出多路复用技术，它允许我们通过单根导线访问来自多个量子比特的信息，从而大大减少了我们必须放入稀释冰箱中的硬件数量。

2023 年，我们使用称为可调谐耦合器的组件，在我们的硬件上实施了一种执行量子门的新方法，即改变量子比特值的程序步骤。以前，我们通过制造响应不同频率的量子比特来防止串扰，这样它们就不会对用于其他量子比特的微波脉冲做出反应。但这使得量子比特难以执行相互通信的基本任务，并且还使处理器变慢。对于可调谐耦合器，我们不需要特定频率的制造。相反，我们引入了一种“开-关”开关，使用磁场来决定一个量子比特是否应该与另一个量子比特通信。结果：我们几乎消除了量子比特之间的串扰错误，使我们能够运行更快、更可靠的门。

随着硬件的改进，我们还证明了我们可以使用错误缓解算法来处理一些噪声。可以通过多种方式实现错误缓解。在我们的例子中，我们运行量子程序，分析系统中的噪声如何改变程序输出，然后创建一个噪声模型。然后，我们可以使用经典计算和噪声模型来恢复无噪声结果的外观。因此，我们量子计算机的周围硬件和软件包括能够执行错误缓解、抑制并最终纠正错误的经典计算。

除了不断改进的硬件进步外，我们还与加州大学伯克利分校合作，在 2023 年证明，运行我们的 127 量子比特量子芯片 Eagle 的量子计算机可以运行超出蛮力经典模拟能力的电路，即经典计算机精确模拟量子计算机以运行电路的方法。 达到量子效用。我们这样做是为了解决一个真正的凝聚态物理问题，即找到一个简化原子系统（其结构类似于我们处理器量子比特的布局）的磁化特性的值。

左图：量子处理单元不仅仅是一个芯片。它包括互连、放大器和信号过滤。它还需要经典硬件，包括接收和应用指令以及返回输出所需的室温经典计算机。右图：

量子计算机的核心是蚀刻有超导电路的多层半导体芯片。这些电路包括用于执行计算的量子比特。芯片分为一层与量子比特、一层与谐振器用于读出，以及多层用于输入和输出的布线。

纠错救援

我们能够证明我们的量子硬件能够在不利用量子计算理论最强大的领域（量子纠错）的情况下胜过蛮力经典模拟。

与在计算后处理噪声的误差缓解不同，量子误差校正可以消除过程中出现的噪声。它适用于更普遍的噪声;您无需先找出特定的噪声模型。此外，虽然随着量子电路复杂性的增加，误差缓解的扩展能力有限，但误差校正将继续在大规模下工作。

纠错

量子比特对外部噪声源极其敏感，因此容易出错。纠错技术允许我们将信息编码为冗余物理量子比特，其中检查量子比特协同工作以监控数据量子比特。然后，使用检查量子比特信息来更正错误。

光学实验室

但量子纠错需要付出巨大的代价：它需要更多的量子比特、更多的连接和更多的门。对于要计算的每个量子比特，可能需要更多量子比特来启用纠错。最近在改进硬件和寻找更好的纠错码方面取得的进展使我们能够设想一种纠错的超级计算机，它可以使这些成本变得物有所值。

量子纠错方案比传统二进制计算机中的纠错要复杂一些。要正常工作，这些量子方案要求硬件错误率低于某个阈值。自量子纠错问世以来，理论家们设计了阈值更宽松的新代码，而量子计算机工程师则开发了性能更好的系统。但目前还没有能够使用纠错来执行大规模计算的量子计算机。

与此同时，纠错理论继续进步。莫斯科国立大学物理学家 Pavel Panteleev 和 Gleb Kalachev 的一项有希望的发现激励我们为我们的系统寻求一种新的纠错码。他们 2021 年的论文证明了“好代码”的理论存在，在这些代码中，执行纠错所需的额外量子比特数量更有利。

这导致了对一系列代码的研究爆炸式增长，称为量子低密度奇偶校验码或 qLDPC 码。今年早些时候，我们的团队发布了一个 qLDPC 代码，其错误阈值足够高，我们可以想象在近期的量子计算机上实现它;量子比特之间所需的连接量仅略高于我们的硬件已经提供的数量。此代码只需要以前方法的十分之一的量子比特数即可在同一级别实现纠错。

这些理论发展使我们能够设想一台实验可访问规模的纠错量子计算机，前提是我们能够将足够的量子处理能力连接在一起，并尽可能多地利用经典计算。

混合经典量子计算机取胜

为了利用纠错功能，并达到足够大的规模来解决量子计算机的人类相关问题，我们需要构建更大的 QPU 或将多个 QPU 连接在一起。我们还需要将经典计算与量子系统相结合。

以量子为中心的超级计算机将包括数千个经过纠错的量子比特，以释放量子计算机的全部功能。以下是我们将如何实现目标。

2024

苍鹭

→ 156 个量子比特

在设置错误之前→ 5K 门

2025

火烈鸟

→ 在芯片之间引入 L 型耦合器

→ Connect 7 个芯片，用于 7 x 156 = 1,092 个量子比特

在设置错误之前→ 5K 门

2027

火烈鸟

芯片之间→ L 型耦合器

→ 7 x 156 = 1,092 个量子比特

→ 改进的硬件和错误缓解

→ 10K 门，然后设置错误

2029

椋

→ 200 个量子比特

→ L、M 和 C 耦合器组合

→ 纠错

→ 100M 门

2030

蓝鸟

→ 2,000 个量子比特

→ 纠错

→ 1B 登机口

去年，我们发布了一台称为 IBM Quantum System Two 的机器，我们可以使用它来开始在可扩展的量子计算系统中进行误差缓解和纠错的原型设计。系统 Two 依赖于更大的模块化低温恒温器，使我们能够将多个量子处理器放入具有短距离互连的单个冰箱中，然后将多个冰箱组合成一个更大的系统，有点像在传统超级计算机上添加更多机架。

除了 System Two 的发布，我们还详细介绍了实现我们愿景的 10 年计划。该路线图上的大部分早期硬件工作都与互连有关。我们仍在开发将量子芯片连接到更大的芯片（如乐高积木）所需的互连，我们称之为 m 耦合器。我们还在开发互连，以便在更远的芯片之间传输量子信息，称为 L 型耦合器。我们希望在今年年底前完成 m 和 l 耦合器的原型设计。我们还在开发片上耦合器，将同一芯片上比最近的邻居更远的量子比特连接起来，这是我们新开发的纠错代码的要求。我们计划在 2026 年底之前交付这款 C 型耦合器。与此同时，我们将改进错误缓解功能，以便到 2028 年，我们可以在 7 个并行量子芯片上运行量子程序，每个芯片能够在错误出现之前在 156 个量子比特上执行多达 15000 个精确门。

我们还在继续推进纠错工作。我们的理论家一直在寻找需要更少额外量子比特以获得更强纠错能力并允许更高错误阈值的代码。我们还必须确定对编码到纠错码中的信息运行操作的最佳方式，然后实时解码该信息。我们希望在 2028 年底之前展示这些。这样，在 2029 年，我们就可以首次推出我们的第一台结合了错误缓解和纠错功能的量子计算机，它可以在 200 个量子比特上运行多达 1 亿个门，直到错误出现。纠错方面的进一步进展将使我们能够到 2033 年在 2000 个量子比特上运行 10 亿个门。

编织以量子为中心的超级计算机

缓解和纠正错误的能力消除了全面量子计算道路上的主要障碍。但我们仍然认为这不足以解决最大、最有价值的问题。出于这个原因，我们还引入了一种新的算法运行方式，将多个量子电路和分布式经典计算编织成一台以量子为中心的超级计算机。

许多人将“量子计算机”设想为单个 QPU，自行工作以在数百万个物理量子比特上运行具有数十亿次操作的程序。相反，我们设想的计算机包含多个 QPU，与分布式经典计算机并行运行量子电路。

结合量子和经典的优势

以量子为中心的超级计算利用并行工作负载中的量子和经典资源来运行比以前更大的计算。以量子为中心的超级计算机是一种经过优化的系统，可在同一数据中心内协调量子计算机和高级经典计算集群的工作。

最近的工作展示了通过将经典计算与量子处理相结合，让我们更高效地运行量子电路的技术。这些技术称为电路编织，它将单个量子计算问题分解为多个量子计算问题，然后在量子处理器上并行运行它们。然后，量子计算机和经典计算机的组合将电路结果编织在一起，得出最终答案。

另一种技术使用经典计算机来运行除核心（本质上是计算的量子部分）之外的所有部分。我们相信，正是这最后一个愿景将首先实现量子优势。

因此，量子计算机不仅包括一个量子处理器、其控制电子设备和稀释制冷机，还包括执行纠错和错误缓解所需的经典处理。

我们还没有实现完全集成的以量子为中心的超级计算机。但我们正在为 System Two 和 Qiskit 奠定基础，Qiskit 是我们用于运行大型量子工作负载的全栈量子计算软件。我们正在构建能够管理电路编织的中间件，并在需要时提供适当的计算资源。下一步是完善我们的硬件和软件基础设施，以便 quantum 和 classic 可以相互扩展，以完成超出任何一方能力的事情。

今天的量子计算机现在是科学工具，能够运行超出经典模拟的蛮力能力的程序，至少在模拟某些量子系统时是这样。但我们必须继续改进我们的量子和经典基础设施，以便它结合起来，能够加快解决与人类相关的问题。考虑到这一点，我们希望更广泛的计算社区将继续研究结合电路编织、并行量子电路和错误缓解的新算法，以找到可以在短期内从量子中受益的使用案例。

我们期待着有一天，最强大的超级计算机 500 强名单中将包括以量子处理器为核心的机器。