IBM量子計(jì)算發(fā)展路線圖（圖片來(lái)源：IBM）

最近，IBM更新了其量子計(jì)算路線圖，這是自2020年發(fā)布第一個(gè)路線圖后的第三次更新。

在新路線圖中，IBM詳細(xì)地介紹了在每層堆棧中的創(chuàng)新技術(shù)，它還為內(nèi)核、算法和模型的開(kāi)發(fā)人員提供了新工具。顯然，要實(shí)現(xiàn)這些計(jì)劃，IBM需要新的硬件、軟件和技術(shù)架構(gòu)。

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新路線圖表明，IBM將提速數(shù)十萬(wàn)量子比特處理器開(kāi)發(fā)計(jì)劃，通過(guò)縮短這一準(zhǔn)備數(shù)年的項(xiàng)目從而推進(jìn)量子計(jì)算時(shí)代的到來(lái)。本文中，IBM量子平臺(tái)負(fù)責(zé)人Blake Johnson博士對(duì)IBM的新路線圖進(jìn)行了詳細(xì)解讀。

“宏圖大業(yè)”

福布雜志評(píng)論道，一旦IBM的路線圖得以實(shí)施落地，它將改變量子計(jì)算的范式。

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IBM計(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)新的量子處理器以及量子軟件和服務(wù)模式，從而實(shí)現(xiàn)下一代——以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)，并圍繞量子處理器、CPU和GPU組合的新資源來(lái)解決世界上一些最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

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回顧十年前，以CPU為中心的超級(jí)計(jì)算是政府和研究人員解決大型復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題的專用方案。如今，幾乎每個(gè)行業(yè)都在使用各種類型的以人工智能為中心的超級(jí)計(jì)算。由此可見(jiàn)，IBM所圖甚遠(yuǎn)。

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Johnson博士透露，IBM研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)四款新量子處理器，并計(jì)劃于2023年、2024年、2025年發(fā)布。其中，IBM Quantum System 2將于2023年開(kāi)始運(yùn)行，它將提供支持新處理器架構(gòu)所需的基礎(chǔ)設(shè)施。

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與此同時(shí)，IBM將繼續(xù)按照舊路線圖計(jì)劃發(fā)布單芯片QPU。這包括計(jì)劃于今年年底發(fā)布的Osprey 433-qubit處理器和預(yù)計(jì)于2023年發(fā)布的Condor 1121-qubit處理器。

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按照舊路線圖，IBM已推出Qiskit Runtime，這是一個(gè)由經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)共同定義的運(yùn)行環(huán)境，旨在支持以速度和規(guī)模對(duì)量子電路進(jìn)行容器化執(zhí)行。不久前，IBM完成了Qiskit Runtime的更新，為其配備了兩個(gè)新的原語(yǔ)（采樣器和估計(jì)器，預(yù)定義的程序），可以輕松創(chuàng)建、構(gòu)建和定制應(yīng)用程序所需的量子/經(jīng)典工作負(fù)載。

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新的原語(yǔ)優(yōu)化了代碼發(fā)送到量子計(jì)算機(jī)的方式。其中，采樣器通過(guò)對(duì)量子電路進(jìn)行采樣，來(lái)生成有助于確定計(jì)算解決方案的輸出；估計(jì)器作為程序接口，將用于估計(jì)量子算子的預(yù)期值，用戶可計(jì)算和解釋許多算法所需的預(yù)期量子算子值。

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2023年，IBM將開(kāi)發(fā)出在并行量子處理器上運(yùn)行的額外原語(yǔ)，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序加速。同時(shí)，在更高層面上，額外原語(yǔ)將作為量子/經(jīng)典計(jì)算接口，支持量子無(wú)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)彈性經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算的靈活組合。

新模塊化架構(gòu)

在最新路線圖中，IBM引入了一種全新的模塊化架構(gòu)，不同于其現(xiàn)有的量子處理器系列。新架構(gòu)通過(guò)將量子處理器連接到公共控制基礎(chǔ)設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多芯片環(huán)境中的QPU以及在其他芯片之間進(jìn)行經(jīng)典的實(shí)時(shí)流動(dòng)。

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此外，它還采用了全新的多量子比特門方案，其優(yōu)點(diǎn)是：速度更快、保真度更高。

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連接到控制器的133量子比特Heron處理器

（圖片來(lái)源：IBM）

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計(jì)劃于2023年推出的133量子比特Heron處理器將成為第一個(gè)使用新架構(gòu)的IBM處理器。在上圖中，展示了IBM將如何使用經(jīng)典耦合器將多個(gè)Heron處理器鏈接在一起以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的并行化。

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Johnson博士表示，多芯片配置的Heron處理器可根據(jù)應(yīng)用等需求進(jìn)行擴(kuò)展?！斑@是一種可擴(kuò)展的架構(gòu)，可以通過(guò)使用經(jīng)典的量子硬件并行化方式來(lái)擴(kuò)展到所需要的任何大小?！?/p>

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IBM強(qiáng)調(diào)，量子硬件的模塊化、經(jīng)典耦合以及并行化是設(shè)計(jì)以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)的基本要素。

IBM計(jì)劃使用量子耦合技術(shù)縮小尺寸。

到2023年，IBM將開(kāi)始通過(guò)引入短程和長(zhǎng)程量子耦合技術(shù)。基于耦合器允許在不制造大芯片的情況下對(duì)量子比特進(jìn)行邏輯縮放的優(yōu)勢(shì)，IBM可在使用縮減信號(hào)輸出和輸入的同時(shí)，增加的輸入輸出密度。?

• 短程耦合器使用芯片到芯片的并行化來(lái)擴(kuò)展IBM在多個(gè)芯片之間的重十六進(jìn)制點(diǎn)陣。它通過(guò)創(chuàng)建更大且邏輯化的芯片有效地?cái)U(kuò)展量子比特，由于其與單個(gè)芯片大致相同，所以擴(kuò)展邏輯芯片的門速度和門保真度不會(huì)影響性能。

  
  

• 遠(yuǎn)程耦合器使用電線連接多個(gè)獨(dú)立模塊，從而可以在量子處理器之間共享量子信息。IBM預(yù)估這種方式將比短距離芯片到芯片的耦合方案更慢且保真度更低，但可進(jìn)行編程調(diào)整適應(yīng)差異。并且長(zhǎng)距離耦合的好處之一是它允許將模塊分開(kāi)以獲得額外的輸入輸出空間。

從單芯片QPU到多芯片QPU

2024 年，IBM將推出首款名為Crossbill的多芯片處理器，具備408個(gè)量子比特，并將首次展示短程耦合應(yīng)用。

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在開(kāi)發(fā)Crossbill的同時(shí)，IBM還將開(kāi)發(fā)一款名為Flamingo的1386+量子比特量子處理器，這是第一款使用遠(yuǎn)程耦合的QPU，它還將是IBM展示使用三個(gè)鏈接連接的并行量子處理器。

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2024年，IBM的量子技術(shù)將能通過(guò)使用多個(gè)芯片以擴(kuò)展到數(shù)十萬(wàn)個(gè)量子比特，進(jìn)而為下一代量子處理器鋪平道路。

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多芯片量子處理器的量子并行化（圖片來(lái)源：IBM）

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2025年，IBM將推出Kookaburra4158+量子比特處理器，它將是第一個(gè)使用芯片到芯片、短程和遠(yuǎn)程耦合器組合的處理器。

IBM展望，到2025年，耦合技術(shù)將開(kāi)始解決近期所面臨的大多數(shù)的擴(kuò)展問(wèn)題。正如Heron所示，系統(tǒng)可通過(guò)經(jīng)典的并行化連接在一起，并使用多個(gè)模塊的芯片到芯片鏈接或通過(guò)長(zhǎng)程耦合擴(kuò)展單個(gè)單元的大小。?

IBM 動(dòng)態(tài)電路（圖片來(lái)源：IBM）?一如早前的路線圖，新路線圖還展示了與硬件目標(biāo)相應(yīng)的軟件計(jì)劃。動(dòng)態(tài)電路于2021年首次公布，在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)后，IBM將在今年晚些時(shí)候有選擇性地將該技術(shù)部署在可探索性的系統(tǒng)上。動(dòng)態(tài)電路是一項(xiàng)強(qiáng)大而重要的技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)有：?

• 擴(kuò)展硬件功能，減少電路深度

• 支持量子計(jì)算的替代模型，例如與標(biāo)準(zhǔn)門陣列模型對(duì)比的測(cè)量模型

• 在使用基于實(shí)時(shí)經(jīng)典數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)的量子糾錯(cuò)碼中發(fā)揮重要作用

  
  

IBM 編排（圖片來(lái)源：IBM）?到2023年，IBM將開(kāi)始開(kāi)發(fā)更多增強(qiáng)型彈性計(jì)算應(yīng)用和Qiskit Runtime并行化。
IBM 正在將量子無(wú)服務(wù)器集成到其核心軟件堆棧中，以實(shí)現(xiàn)電路編織，從而允許通過(guò)將大型量子電路分割成較小的電路并將其分布在量子資源中，來(lái)解決大型量子電路遇到的挑戰(zhàn)。其中，通過(guò)使用CPU和GPU的協(xié)調(diào)解決方案，編織電路可以重新組合。?隨著2023年必要的硬件和軟件得以實(shí)現(xiàn)，IBM量子無(wú)服務(wù)器將允許模型開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始為特定用例設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用程序原型，機(jī)器學(xué)習(xí)將是第一個(gè)案例。IBM計(jì)劃到2025年進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用程序，包括優(yōu)化、自然科學(xué)研究等。

四大挑戰(zhàn)

要實(shí)現(xiàn)構(gòu)建以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)的最終目標(biāo)，IBM必須在其路線圖中解決幾個(gè)挑戰(zhàn)問(wèn)題：

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• 擴(kuò)展動(dòng)態(tài)電路的使用。由于動(dòng)態(tài)電路需要控制系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)以足夠低的延遲移動(dòng)、實(shí)時(shí)處理，IBM必須設(shè)計(jì)出第三代控制系統(tǒng)以滿足低延遲需求。

  
  

• 新語(yǔ)言。IBM需要開(kāi)發(fā)出新的語(yǔ)言，從而允許用戶描述實(shí)時(shí)經(jīng)典計(jì)算與量子門的組合。Johnson博士說(shuō)，在更廣泛的量子社區(qū)的幫助下，IBM正在努力開(kāi)發(fā)一種用于描述新電路的OpenQASM 3語(yǔ)言。

  
  

• 新編譯器技術(shù)。IBM需要開(kāi)發(fā)出新的編譯器技術(shù)以將OpenQASM 3電路轉(zhuǎn)換為允許其在控制系統(tǒng)上運(yùn)行的形式。

• 容錯(cuò)量子計(jì)算。要成功擴(kuò)展到數(shù)十萬(wàn)個(gè)量子比特，那么在2026年左右IBM將必須具備量子糾錯(cuò)能力，否則將危及其長(zhǎng)期計(jì)劃。

原文鏈接：

https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/05/18/ibms-newest-quantum-computing-roadmap-unveils-four-new-quantum-processors-and-future-plans-for-a-quantum-supercomputer/?sh=79381b517ebd

文：Paul Smith-Goodson編譯：李每編輯：慕一
注：本文編譯自“?Forbes”，不代表量子前哨觀點(diǎn)。