解析IBM量子計算路線圖：六大“里程碑”實現(xiàn)完整基礎設施構建

北京時間12月15日消息（余予）IBM 在上個月舉行的2021 年量子峰會上全面展示了其在量子計算方面穩(wěn)步發(fā)展的亮點，大多數(shù)HPC社區(qū)在SC21上進行了討論。在今年實現(xiàn)的六個里程碑的支持下，IBM宣布2023年將是其系統(tǒng)提供量子優(yōu)勢的一年，量子計算作為高性能計算（ HPC）領域的強大工具，將占據(jù)早期位置。

目前，量子計算領域取得的進展令人印象深刻，其速度之快可能超出了許多觀察者的預期。在這種情況下，長期以來，IBM一直在量子計算領域中占據(jù)著重要的地位，其幾乎深入研究了這一領域的各個方面、用例以及客戶/開發(fā)人員的參與。當然，盡管目前還不清楚在眾多量子比特技術中哪一種將占上風，IBM專注于基于半導體的超導量子比特技術。很可能不會只有一個。

去年，IBM制定了詳細的量子路線圖，其中包含圍繞硬件、軟件和系統(tǒng)基礎架構的里程碑。在今年的IBM量子峰會上，IBM研究員兼量子計算副總裁Jay Gambetta與幾位同事共同提交了一份成績單，并展望了IBM的未來計劃。他強調了六個里程碑——尤其是IBM最近推出的127量子比特量子處理器Eagle，以及IBM System Two的計劃，這是一個新的完整的基礎設施，將取代System One。

從很多方面來說，IBM 路線圖包含了量子社區(qū)中每個人所面臨的挑戰(zhàn)和愿望。

雖然容錯量子計算仍然遙不可及，但量子計算在嘈雜中型量子 (NISQ) 計算機上的實際應用似乎比許多人預期的要近。我們開始看到早期基于量子的應用程序的出現(xiàn)——主要圍繞隨機數(shù)生成。

在深入研究技術討論之前，值得注意的是，IBM 預計商業(yè)格局將如何出現(xiàn)。IBM 與波士頓咨詢集團合作，提出了商業(yè)應用程序的粗略路線圖。

“IBM的路線圖不僅僅是具體的，也是雄心勃勃的。”波士頓咨詢集團深度技術負責人兼北美負責人Matt Langione 在IBM 峰會上表示，“我們認為IBM今天概述的技術能力將可能在上述期間為最終用戶創(chuàng)造30 億美元的價值。”

以金融服務中的投資組合優(yōu)化為例。Langione 表示，擴大基于經(jīng)典計算的優(yōu)化器的努力“與非連續(xù)非凸函數(shù)，如利率收益率曲線、交易日志、買入閾值和交易成本等問題作斗爭”。量子優(yōu)化器可以克服這些挑戰(zhàn)，并且“到2024年，通過集成經(jīng)典資源并內置錯誤緩解功能的量子運行時，以4個9的極高的保真度將交易策略提高多達25個基點。我們相信，這種能力在2025年左右可能會出現(xiàn)在交易員的工作流程中”他說。

他還特別指出了航空航天和汽車設計中用于計算流體動力學的網(wǎng)格優(yōu)化器，它們具有類似的約束條件。他預測：“在接下來的三年里，量子計算機可能會超越表面尺寸和精度的極限。”

量子計算并不缺少宏偉的計劃。IBM認為，通過制定清晰的愿景并實現(xiàn)其里程碑，它將吸引觀望社區(qū)以及量子社區(qū)內的更廣泛的支持。以下是Gambetta及其同事對六個主題的簡要總結。

1. 打破100量子比特的壁壘

隨著2019年Falcon處理器的推出，IBM開始正式統(tǒng)計其當前的量子處理器產(chǎn)品組合；它引入了IBM的重六邊形量子位布局，并具有27個量子位。從那以后，IBM一直在改進這種設計。“Hummingbird”量子處理器于2020年首次亮相，擁有65個量子位。“Eagle”近日在其2021年峰會上推出，擁有127 個量子位。每個新處理器的量子比特數(shù)大約增加了一倍。接下來，IBM計劃在2022年推出具有433個量子位的“Osprey” 。

IBM 量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow 表示，“對于Falcon，我們面臨的挑戰(zhàn)是可靠的產(chǎn)量。我們通過新穎的約瑟夫森結調諧過程與我們減少碰撞的重六邊形晶格相結合來應對這一挑戰(zhàn)。通過Hummingbird，我們實現(xiàn)了大比例復用讀出，使我們能夠將量子位狀態(tài)讀出所需的總低溫基礎設施降低8倍。這減少了所需的原始組件數(shù)量。”

“Eagle是作為擴大我們進行設備封裝方式的需求而誕生，以便我們能夠以更有效的方式將信號傳輸?shù)匠瑢Я孔游弧Ｎ覀儗崿F(xiàn)這一目標的工作在很大程度上依賴于IBM在CMOS技術方面的經(jīng)驗。實際上是兩個芯片。”

對于Eagle來說，“約瑟夫森結基座（量子位）位于一個芯片上，該芯片通過凸點鍵合連接到一個單獨的中介層芯片。該內插器芯片通過在整個CMOS 世界中通用的封裝技術提供與量子位的連接。其中包括基板通孔和掩埋布線層之類的東西，這對這項技術來說是全新的。掩埋層的存在為信號路由和器件布局提供了靈活性。”Chow表示。

在最近的技術分析師會議上，IBM量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示，“我可以肯定地說，這是有史以來最先進的量子計算芯片，其是世界上首個超過100 個量子位的量子處理器。就此而言，它有127個量子位排列在我們眾所周知的重六邊形晶格中。讓我強調一下，它不僅是我們制造的一個處理器，也是一個運行著量子電路的完整工作系統(tǒng)。”

除此之外，Jerry Chow稱Eagle 將在今年年底前廣泛使用，這大概意味著現(xiàn)在。

看看Eagle 的影響，IBM表示，“增加的量子比特數(shù)將允許用戶在進行實驗和運行應用程序時探索新的復雜程度的問題，例如優(yōu)化機器學習或建模新的分子和材料，以用于從能源工業(yè)到藥物發(fā)現(xiàn)過程的各個領域。‘Eagle’是IBM的第一個量子處理器，其規(guī)模使得經(jīng)典計算機無法模擬。事實上，在127 量子比特處理器上表示一種狀態(tài)所需的經(jīng)典位數(shù)量超過了當今75 億人的原子總數(shù)。”

如前所述，Osprey將于明年推出，將擁有433 個量子比特，Chow 表示，它將推出“下一代可擴展的輸入輸出，可以將信號從室溫傳遞到低溫。”

2.克服門錯誤障礙

測量量子計算的質量可能很棘手。諸如相干持續(xù)時間和門控保真度等關鍵組件受到系統(tǒng)和環(huán)境噪聲等許多因素的不利影響?？朔@些影響是大多數(shù)量子處理器被安裝在大型稀釋冰箱中的原因。IBM開發(fā)了一個基準指標，即量子體積 (QV)，其中包含各種性能屬性，并且其已經(jīng)在量子社區(qū)中得到了相當廣泛的使用。IBM在其某些系統(tǒng)上實現(xiàn)了QV 128?；裟犴f爾（現(xiàn)在的Quantinuum）也報告稱其俘獲離子裝置實現(xiàn)了QV 128。

在IBM 量子峰會上，IBM 研究員兼首席量子架構師Matthias Steffen 回顧了在延長相干時間和提高門保真度方面的進展。

“我們在新的Falcon r8 處理器上取得了突破。我們已經(jīng)成功地將T1 時間（自旋-晶格弛豫）從大約 0.1 毫秒顯著提高到0.3 毫秒。這一突破不僅限于單片式（良好的成品率）?，F(xiàn)在已經(jīng)重復了幾次。事實上，我們的一些客戶可能已經(jīng)注意到最近為IBM Peekskill 顯示的設備地圖，”Steffen表示。“這只是開始。我們已經(jīng)測試了幾個研究測試設備，現(xiàn)在我們正在測試接近可靠地跨越 1 毫秒的障礙的0.6 毫秒。”

“今年我們也取得了突破，提高了門限保真度。您可以看到這些改進（下圖）按設備系列顏色編碼。我們的Falcon r4器件通常實現(xiàn)接近0.5x10-3的柵極誤差。我們的Falcon r5器件還包括更快的讀數(shù)，性能大約好1/3。事實上，我們最近的許多演示都來自這個r5設備系列。最后，在金色中，您會看到我們的一些最新測試設備，其中包括改進了相干時間的Falcon r8。”

“您還可以看到其他設備的保真度測量結果，包括我們最近開發(fā)的Falcon r10，我們在上面測量了一個雙量子位門，打破了每個門平面0.001的誤差。”Steffen表示。

IBM正在鼓吹實現(xiàn)0.001 門保真度，這相當于每個錯誤超過1000個門，達到3個9或99.9%的質量，這是一個重要的里程碑。

3.主流Falcon r5

目前，F(xiàn)alcon 架構是IBM的主力。正如IBM所解釋的，可訪問QPU的產(chǎn)品組合包括核心和探索性芯片：“我們的用戶可以訪問探索性設備，但這些設備并非一直在線。付費用戶可以同時訪問核心和探索系統(tǒng)。”

IBM表示有三個衡量系統(tǒng)性能的指標——質量、速度和規(guī)模。其中，速度是一個核心要素，IB將速度定義為電路層每秒操作數(shù) (CLOPS)，大致類似于經(jīng)典計算用語中的 FLOPS。測量速度至關重要，因為快速、高質量的電路可以在更短的時間內解決復雜的問題。一旦量子體積基準測試確定了電路質量，隨后就可以編譯電路并在硬件上運行以計算CLOPS。

“這是無可避免的。”IBM量子理論與應用系統(tǒng)總監(jiān)Katie Pizzolato表示，“有用的量子計算需要運行大量電路。大多數(shù)應用程序至少需要運行十億次。如果我的系統(tǒng)運行一個電路需要5毫秒以上，這很簡單，運行10 億個電路需要 58 天；這不是有用的量子計算。”

在最低級別上，QPU的速度由底層架構驅動。“這是我們選擇超導量子比特的原因之一。在這些系統(tǒng)中，我們可以輕松地將量子位與處理器中的諧振器耦合。這為我們提供了快速門、快速重置和快速讀出速度的基本原理。”Pizzolato表示。

“以Falcon r5處理器為例，這是對Falcon r4的巨大升級。在r5中，我們將新組件集成到處理器中，其測量速率比r4快八倍，且不影響相干性。這使得測量速率從幾微秒變?yōu)閹装偌{秒。再加上我們在柵極時間上所做的其他改進，就可以使用Falcon r5向前邁進一大步。”Katie Pizzolato表示。

IBM 現(xiàn)在正式將Falcon r5標記為核心系統(tǒng)，這是探索性的一步。

“我們正在確保Falcon r5正常運行并具有高可靠性。我們相信讀取速度更快的r5可以保持高可用性，因此現(xiàn)在將其標記為核心系統(tǒng)，”Pizzolato說。

Pizzolato 沒有給出Falcon r5 的具體 CLOPS 數(shù)字，但在 12 月初的另一次HPC 專業(yè)人士協(xié)會的演講中，IBM量子副總裁兼首席技術官Scott Crowder展示的一張幻燈片表明，IBM的CLOPS為4.3（盡管沒有具體說明是哪個 QPU），捕獲離子的CLOPS 為45。

4.IBM所有系統(tǒng)都支持Qiskit Runtime

今年5月，IBM推出了Qiskit Runtime測試版，據(jù)稱這是“IBM Quantum 提供的一種新架構，可以簡化需要多次迭代的計算”。這個想法是利用經(jīng)典系統(tǒng)來加速對QPU的訪問，這與CPU在經(jīng)典計算中管理對GPU的訪問的方式不同?，F(xiàn)在所有IBM QPU都支持Qiskit Runtime。

“我們創(chuàng)建了Qiskit Runtime，作為在可以非?？焖僭L問量子硬件的環(huán)境中執(zhí)行經(jīng)典代碼的容器平臺。”Pizzolato表示，“它徹底改變了量子硬件的使用模式。它允許用戶向IBM的量子數(shù)據(jù)中心提交電路程序，而不是簡單的提交電路。這種方法使我們獲得了120倍的改進。像VQE（變分量子特征求解器）這樣的程序，過去需要我們運行45天，而現(xiàn)在，我們可以在9個小時內解決同樣的問題。”

IBM認為，這些進步加上127量子位的“Eagle”處理器意味著，“沒有人真的需要再使用模擬器了”。

以下是IBM網(wǎng)站上的Qiskit Runtime描述：“Qiskit Runtime允許授權用戶上傳他們的Qiskit量子程序供自己或他人使用。Qiskit量子程序，也稱為Qiskit Runtime程序，是一段Python代碼，它接受特定的輸入，執(zhí)行量子計算，也可能是經(jīng)典計算，交互式地提供中間結果（如果需要的話），并返還處理結果。然后，相同或其他授權用戶可以通過簡單地傳遞所需的輸入?yún)?shù)來調用這些量子程序。”

5.Serverless Quantum介紹

IBM表示，Qiskit Runtime是一項更廣泛努力的一部分，通過云將經(jīng)典資源和量子資源更緊密地結合在一起，并創(chuàng)建無服務器量子計算。這將是消除開發(fā)人員現(xiàn)在面臨的許多障礙的一大步。

“Qiskit Runtime通過將我們的QPU與經(jīng)典資源相結合以消除延遲并提高效率，從而在電路級別從我們的QPU中獲得更多性能。我們用小寫字母c稱其為經(jīng)典，”IBM研究人員Sarah Sheldon表示，“我們還發(fā)現(xiàn)，我們可以利用經(jīng)典資源來加速實現(xiàn)量子優(yōu)勢的進程，并讓我們更早到達那里。”

“為了做到這一點，我們用大寫字母C稱之為‘使用經(jīng)典’。這些功能將同時存在于在內核和算法層面。我們將它們視為一組工具，允許用戶在量子資源和經(jīng)典資源之間進行權衡，從而在內核級別優(yōu)化應用程序的整體性能。這通過用于采樣時間、演化等的電路庫來實現(xiàn)。但在算法層面，我們看到了一個未來，我們將提供預構建的Qiskit Runtime，并結合經(jīng)典集成庫。我們稱之為電路編織（Circuit Knitting）”Sarah Sheldon表示。

從廣義上講，電路編織是一種將一個具有更多量子位和更大門深度的大型量子電路分解為多個具有更少量子位作為更小門深度的更小的量子電路的技術；然后在經(jīng)典的后期處理中將結果組合在一起。“這使我們能夠模擬比以往任何時候都大得多的系統(tǒng)。我們還可以沿著有高水平噪聲或串擾的邊緣編織電路。這讓我們能夠以更高的準確度模擬量子系統(tǒng)，”Sheldon 指出。

IBM報告稱，他們僅使用5個量子位及一種特定的“糾纏鍛造”技術模擬水分子的基態(tài)，將電路編織到弱糾纏的兩半，從而演示了電路編織。IBM 表示，通過電路編織，用戶可以通過使用這些工具進行速度權衡，來擴大所解決問題的規(guī)?；蛱岣呓Y果的質量。

這些新功能被捆綁到 IBM 云上的IBM Code Engine中。IBM表示，代碼引擎與較低級別的工具結合將提供無服務器計算。 Pizzolato舉例說明，“第一步是定義問題。在這種情況下，我們使用VQE；其次，我們使用 Python 多云分布式計算框架 Lithops 來執(zhí)行代碼。在這個函數(shù)中，我們打開一個與 Qiskit Runtime 的通信通道，并運行程序估計器。”

“例如，在經(jīng)典計算中，我們使用同時擾動隨機近似算法。這只是一個例子；你可以把任何東西放在這里。所以現(xiàn)在用戶可以坐下來享受結果。隨著開發(fā)人員越來越多地采用量子，量子無服務器使開發(fā)人員能夠專注于他們的代碼，而不會被拖到配置經(jīng)典資源的過程中，”她表示。

6、System Two的早期計劃

IBM的最終聲明是，它正在“結束”IBM Quantum System One，IBM Quantum System One是其全封閉量子計算機基礎設施，于2019年首次亮相。IBM量子硬件系統(tǒng)開發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示，System One將能夠處理“Eagle”，但 IBM正在與芬蘭公司Bluefors合作開發(fā)其下一代低溫基礎設施System Two。

“我們正在積極開發(fā)一套全新的技術，從新型高密度、低溫微波柔性電纜到新一代基于FPGA的高帶寬、集成控制電子設備。”Chow表示。

Bluefors公司推出了其最新的低溫平臺Kide，它將成為IBM System Two的基礎。

“我們將其稱為Kide，因為在芬蘭語中，Kide 的意思是雪花或水晶，它代表了平臺的六邊形晶體幾何形狀，使其具有前所未有的可擴展性和訪問權限。” Bluefors 的 Russell Lake 表示，“即使我們創(chuàng)建了一個更大的平臺，我們也能維持與較小系統(tǒng)相同的用戶可訪問性。隨著先進量子硬件規(guī)模的不斷擴大，這一點至關重要。我們通過將量子處理器的冷卻與運行熱負載分離來優(yōu)化冷卻功率。此外，平臺密鑰的六重對稱性意味著系統(tǒng)可以連接和集群，從而實現(xiàn)大規(guī)模擴展的量子硬件配置。”

“IBM Quantum System Two的模塊化特性將成為未來量子數(shù)據(jù)中心的基石，”Gambetta表示。據(jù)推測，433量子比特的Osprey處理器將安裝在新System Two基礎設施的一個版本中。

實際上，有許多公司致力于IBM討論的所有量子計算方面的工作，但很少有公司能夠解決所有這些問題。出于這個原因，IBM的報告對整個量子社區(qū)的總體進展進行了有趣的概述。

在2023年實現(xiàn)量子優(yōu)勢，即使只是少數(shù)應用，也將是一件大事。

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