IBM發布更新版量子發展路線圖

IBM日前發布更新版量子發展路線圖。IBM研究員兼量子計算副總裁Jay Gambetta發布博文，分享了新的IBM量子路線圖增加內容，并對以量子為中心的超級計算的未來進行預測。

以下為博客全文：

我們是探險家。我們正在努力探索計算的極限，繪制從未實現的技術路線，并繪制出我們認為這些技術將如何使我們的客戶受益并解決世界上最大的挑戰的地圖。但我們不能簡單地進入未知領域。一個好的探險家需要一張地圖。

兩年前，我們發布了該路線圖的初稿以邁出第一步：我們雄心勃勃的發展量子計算技術的三年計劃，稱為我們的發展路線圖。從那時起，我們的探索揭示了新的發現，使我們有了新的見解，使我們能夠改進地圖并使我們能夠走得比計劃的更遠。今天，我們很高興向您展示最新的路線圖：我們計劃將量子處理器、CPU和GPU整合成一個計算結構，該結構能夠解決超出經典資源范圍的問題。

我們的目標是建造以量子為中心的超級計算機。以量子為中心的超級計算機將包含量子處理器、經典處理器、量子通信網絡和經典網絡，所有這些協同工作將徹底改變我們的計算方式。為此，我們需要解決擴展量子處理器的挑戰，開發一個運行時環境，以提供更高速度和更優質量的量子計算，同時引入一個無服務器編程模型，以允許量子處理器和經典處理器無摩擦地協同工作。

但首先：這段旅程從哪里開始?我們在2016年將第一臺量子計算機放到云端，并在2017年推出了用于對這些量子計算機進行編程的開源軟件開發工具包“Qiskit”。我們在2019年推出了第一個集成量子計算機系統“IBM Quantum System One”，然后在2020年我們公布了開發路線圖，展示了我們計劃如何將量子計算機發展成一項成熟的商業技術。

作為該路線圖的一部分，我們在2021年發布了127量子位的IBM Quantum Eagle處理器并推出了 Qiskit Runtime，這是一個由共定位經典系統和量子系統組成的環境，旨在支持以速度和規模對量子電路進行容器化執行。 第一個版本在研究級量子工作負載上提供了120倍的加速。今年早些時候，我們推出了帶有原語的Qiskit Runtime服務：預構建的程序允許算法開發人員輕松訪問量子計算的輸出，而無需對硬件有復雜的了解。

現在，我們最新的地圖將為我們指明前進的方向。

為無服務器量子計算做準備

為了從我們世界領先的硬件中獲益，我們需要開發軟件和基礎設施，以便我們的用戶可以利用它。不同的用戶有不同的需求和體驗，我們需要為每個角色構建工具：內核開發人員、算法開發人員和模型開發人員。

對于我們的內核開發人員——那些專注于在真正的硬件上制作更快、更好的量子電路的人——我們將交付并完善Qiskit Runtime。首先，我們將添加動態電路，它允許量子測量的反饋和前饋以改變或引導未來的操作過程。動態電路通過減少電路深度、允許構建電路使用不同的替代模型，并允許對量子糾錯核心的基本操作進行奇偶校驗擴展了硬件的功能。

為了在2023年繼續提高量子程序的速度，我們計劃將線程引入Qiskit Runtime，使我們能夠運行并行的量子處理器，包括自動分配可簡單并行的工作。在2024年和2025年，我們將在Qiskit Runtime中引入錯誤緩解和抑制技術，以便用戶可以專注于提高從量子硬件獲得的結果的質量。這些技術將有助于為未來的量子糾錯奠定基礎。

然而，如果我們希望量子得到更廣泛的應用，我們還有很多工作要做，例如在我們的算法開發人員中——他們在經典例程中使用量子電路，以制作展示量子優勢的應用程序。

對于我們的算法開發人員，我們將完善Qiskit Runtime服務的原語。量子計算機的獨特之處在于它們能夠在其輸出處生成非經典概率分布。因此，大部分量子算法的開發都與從這些分布中采樣或估計屬性有關。原語是一組核心功能，可以輕松高效地使用這些分布。

通常，算法開發人員需要將問題分解為一系列較小的量子和經典程序，并使用編排層將數據流拼接成到整體工作流程中。我們將負責這種拼接的基礎設施稱為Quantum Serverless。Quantum Serverless以實現靈活的量子經典資源組合為中心，無需開發人員成為硬件和基礎設施專家，同時僅在開發人員需要時分配那些計算資源。2023年，我們計劃將Quantum Serverless集成到我們的核心軟件堆棧中，以啟用電路編織等核心功能。

什么是電路編織?電路編織技術將較大的電路分解成更小的部分以在量子計算機上運行，然后使用經典計算機將結果重新編制在一起。

今年早些時候，我們展示了一種稱為糾纏鍛造的電路編織方法，可以用相同數量的量子比特獎勵在那個子系統規模擴大一倍。然而，電路編織要求我們可以運行大量跨量子資源分割并與經典資源協調的電路。我們認為具有經典通信的并行量子處理器將能夠更快地帶來量子優勢，最近的一篇論文提出了一條前進的道路。

有了所有這些部分，我們很快就會為我們的模型開發人員準備好量子計算——他們開發量子應用程序以找到解決其特定領域中復雜問題的解決方案。我們認為到明年，我們將開始為特定用例設計量子軟件應用程序的原型。我們將通過我們的第一個測試用例——機器學習——開始定義這些服務，并與合作伙伴一起加速通往有用的量子軟件應用程序的道路。到2025年，我們認為模型開發人員將能夠探索機器學習、優化、自然科學等領域的量子應用。

解決規模問題

當然，我們知道量子計算的核心是使運行量子程序成為可能的硬件。我們還知道，一臺能夠充分發揮其潛力的量子計算機可能需要數十萬甚至數百萬的高質量量子比特，因此我們必須弄清楚如何擴大這些處理器的規模。憑借將分別于2022年和2023年發布的433量子位的“Osprey”處理器和1121量子位的“Condor”處理器，我們將測試單芯片處理器的極限并控制集成到IBM Quantum System Two中的大規模量子系統。但我們不打算在一個巨大的芯片上實現大規模量子計算機。取而代之的是，我們正在開發一種將處理器鏈接在一起形成模塊化系統的方法，該系統能夠在沒有物理限制的情況下進行擴展。

為了解決規模問題，我們將介紹三種不同的方法。首先，在2023年，我們將推出“Heron”：具有控制硬件的133量子位處理器，允許在不同處理器之間進行實時經典通信，從而實現上述編織技術;第二種方法是通過啟用多芯片處理器來擴展量子處理器的大小。“Crossbill”是一個408量子位處理器，將由三個芯片組成，這些芯片通過芯片到芯片的耦合器連接，允許在多個芯片上連續實現重十六進制晶格。這種架構的目標是讓用戶感覺好像他們只是在使用一個更大的處理器。

除了通過多芯片處理器的模塊化連接進行擴展外，我們還計劃在2024年引入我們的第三種方法：處理器之間的量子通信以支持量子并行化。我們將介紹具有內置量子通信鏈路的462量子比特的“Flamingo”處理器，然后通過將至少三個Flamingo處理器鏈接在一起形成一個1386量子比特系統來發布該架構的演示。我們預計這種鏈接將導致跨處理器的門速度較慢且保真度較低。我們的軟件需要了解這種架構的顧慮，以便我們的用戶最好地利用這個系統。

我們對規模的了解將把所有這些進步結合在一起，以充分發揮它們的潛力。因此，在2025年，我們將推出“Kookaburra”處理器。Kookaburra將是一個具有量子通信鏈路的1386量子位多芯片處理器。作為演示，我們將把三個Kookaburra芯片連接到一個4158量子位的系統中，通過量子通信為我們的用戶提供服務。

這些技術的結合——經典并行化、多芯片量子處理器和量子并行化——為我們提供了將計算機擴展到我們的路線圖的任何地方所需要的所有要素。到2025年，我們將通過模塊化量子硬件以及隨之而來的控制電子設備和低溫基礎設施，有效地消除擴展量子處理器的主要界限。在我們的軟件和硬件中推動模塊化，將是我們超越競爭對手的關鍵，我們很高興將其交付給您。

以量子為中心的超級計算機

我們最新的路線圖將我們帶到了2025年——但發展不會止步于此。屆時，我們將消除量子硬件規模擴展道路上的一些最大障礙，同時開發能夠將量子集成到計算工作流程中的工具和技術。當我們進入量子未來時，這種巨變將相當于用GPS衛星取代紙質地圖。

不過，我們不僅僅是在考慮量子計算機。我們正試圖引領整個計算的范式轉變。多年來，以CPU為中心的超級計算機是社會的處理主力，IBM是這些系統的主要開發商。在過去的幾年里，我們看到了以人工智能為中心的超級計算機的出現，其中CPU和GPU在巨型系統中協同工作，以解決人工智能繁重的工作負載。

現在，IBM正在迎來以量子為中心的超級計算機時代，量子資源——QPU——將與CPU和GPU一起編織成一個計算結構。我們認為，以量子為中心的超級計算機將成為那些解決最棘手問題、進行最具開創性研究和開發最尖端技術的人的關鍵技術。

我們可能走上了正軌，但探索未知領域并不容易。我們正試圖在短短幾年內重寫計算規則。按照我們的路線圖，我們需要解決一些非常棘手的工程和物理問題。

但我們非常有信心——畢竟，在我們世界領先的研究團隊、IBM Quantum Network、Qiskit開源社區以及我們不斷壯大的內核、算法和模型開發人員社區的幫助下，我們已經走到了這一步。我們很高興在我們繼續前進的過程中有你們的陪伴。

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