IBM 在以量子為中心的超級計算機上下大賭注

在 2022 年 6 月，橡樹嶺國家實驗室就首次推出了世界上最強大的超級計算機 Frontier。Frontier 每秒可以執行 10 億次計算。然而，Frontier 可能永遠無法在合理的時間內解決一些計算問題。

其中一些問題就像將大量數字分解為素數一樣簡單。其他方面是當今地球面臨的最重要的問題之一，例如為治療新出現的疾病的藥物快速建模復雜分子，以及開發更高效的碳捕獲或電池材料。

然而，在未來十年，我們預計會出現一種不同于以往任何形式的新型超級計算。它不僅可以潛在地解決這些問題，而且我們希望它能以一小部分成本、占地面積、時間和能源來實現。這種新的超級計算范式將采用一種全新的計算架構，該架構在原子水平上反映了物質的奇怪行為——量子計算。

幾十年來，量子計算機一直在努力實現商業可行性。為這些計算機提供動力的量子行為對環境噪聲極其敏感，并且很難擴展到足夠大的機器來進行有用的計算。但在過去十年中，已經取得了幾項關鍵進展，包括硬件的改進以及如何處理噪聲的理論進步。這些進步使量子計算機最終達到了經典計算機難以跟上的性能水平，至少在某些特定的計算方面是這樣。

IBM 第一次看到了通往有用量子計算機的道路，我們可以開始想象計算的未來會是什么樣子。我們預計量子計算不會取代經典計算。相反，量子計算機和經典計算機將協同工作，以運行超出單獨使用任何一方所能進行的計算。世界各地的幾家超級計算機設施已經計劃將量子計算硬件集成到其系統中，包括德國的 Jupiter、日本的 Fugaku 和波蘭的 PSNC。雖然它以前被稱為混合量子經典計算，并且可能還有其他名稱，但我們稱其為以量子為中心的視覺超級計算。

比特和量子比特的故事

我們對以量子為中心的超級計算機愿景的核心是量子硬件，我們稱之為量子處理單元 （QPU）。QPU 在某些任務中比經典處理單元表現得更好，這來自于一種根本不同的工作原理，它植根于量子力學的物理學。

在標準或 “經典” 計算模型中，我們可以將所有信息簡化為二進制數字字符串，簡稱位，它可以取 0 或 1 的值。我們可以使用簡單的邏輯門來處理這些信息，例如 AND、OR、NOT 和 NAND，它們一次作用于一個或兩個位。經典計算機的 “狀態” 由其所有位的狀態決定。所以，如果你有 N 位，那么計算機可以只在 2 位中的一個^N國家。

但是量子計算機在計算過程中可以訪問更豐富的狀態庫。量子計算機也有比特。但是，它的量子比特（量子比特）不是 0 和 1，而是通過稱為疊加的量子屬性表示 0、1 或兩者的線性組合。雖然數字計算機只能位于這 2 個中的一個^N狀態，則量子計算機在計算過程中可以同時處于多個邏輯狀態。不同量子比特所在的疊加態可以以基本方式相互關聯，這要歸功于另一種稱為糾纏的量子特性。在計算結束時，量子比特只采用一種狀態，該狀態是根據量子算法運行期間生成的概率選擇的。

目前尚不清楚這種計算范式如何優于經典范式。但在 1994 年，麻省理工學院的數學家彼得·肖爾 （Peter Shor） 發現了一種算法，該算法使用量子計算范式，可以比最好的經典算法快得多地將大數劃分為質因數。兩年后，Lov Grover 發現了一種量子算法，它可以比經典算法更快地在數據庫中查找特定條目。

也許最重要的是，由于量子計算機遵循量子力學定律，因此它們是模擬我們世界基本量子現象的正確工具，例如用于藥物發現或材料設計的分子相互作用。

以量子為中心的超級計算機的中心

在我們構建以量子為中心的超級計算機之前，我們必須確保它能夠做一些有用的事情。構建功能足夠強大的 QPU 依賴于構建可以重新創建違反直覺的量子行為的硬件。

在 IBM，量子計算的基本構建塊 — 量子比特 — 由超導組件組成。每個物理量子比特都由兩個超導板組成，它們充當電容器，連接到稱為 Josephson 結的組件，這些組件充當特殊的無損非線性電感器。

流經 Josephson 結的電流被量化 - 固定為離散值。Josephson 交匯點確保其中只有兩個值（或其疊加）是實際可訪問的。量子比特以兩個當前級別編碼，一個表示 0，另一個表示 1。但是，如前所述，量子比特也可以存在于 0 和 1 狀態的疊加中。

由于超導體需要寒冷的溫度來維持超導性，因此量子比特及其一些控制電路被保存在稱為稀釋制冷機的特殊液氦冰箱內。

我們更改量子比特狀態，并將量子比特與量子指令（通常稱為門）耦合在一起。這些是一系列特制的微波波形。QPU 包括負責接受一組量子指令（稱為量子電路）并返回由二進制字符串表示的單個輸出的所有硬件。QPU 包括量子比特和放大信號的組件、控制電子設備以及將指令保存在內存中、積累信號和分離噪聲以及創建單個二進制輸出等任務所需的經典計算。我們將量子比特、用于讀出的諧振器、輸出濾波器和量子總線等組件蝕刻到沉積在硅芯片頂部的超導層中。

但是，嘗試在超敏感量子級別控制量子比特是一項挑戰。外部噪聲、來自電子設備的噪聲以及不同量子比特的控制信號之間的串擾都會破壞量子比特脆弱的量子特性。控制這些噪聲源是我們可以設想有用的以量子為中心的超級計算機的關鍵。

讓 Quantum Stuff 達到 Snuff

目前還沒有人最終證明量子優勢，也就是說，量子計算機在現實世界的相關任務上優于最好的經典計算機。展示真正的量子優勢將預示著計算的新時代，以前棘手的任務現在觸手可及。

在我們實現這個宏偉的目標之前，我們必須把目光放得更低一些，一個我們稱之為量子效用的目標。量子效用是量子硬件勝過量子電路的蠻力經典計算的能力。換句話說，這是量子硬件比傳統計算機更擅長執行量子計算的地方。

低溫系統允許量子計算機在接近絕對零度的情況下運行。

這聽起來可能平淡無奇，但它是通往量子優勢的必要墊腳石。近年來，量子社區終于達到了這個門檻。我們在 2023 年展示了 QPU 的量子效用，這讓我們相信，我們的量子硬件足夠先進，值得構建到以量子為中心的超級計算機中。實現這一里程碑需要一系列進步，包括硬件和算法的改進。

自 2019 年以來，我們一直在整合半導體制造的進步，將 3D 集成引入我們的芯片。這使我們能夠從放置在量子比特平面下方的控制器芯片訪問量子比特，以減少芯片上的布線，這是潛在的噪聲源。我們還引入了讀出多路復用技術，它允許我們通過單根導線訪問來自多個量子比特的信息，從而大大減少了我們必須放入稀釋冰箱中的硬件數量。

2023 年，我們使用稱為可調諧耦合器的組件，在我們的硬件上實施了一種執行量子門的新方法，即改變量子比特值的程序步驟。以前，我們通過制造響應不同頻率的量子比特來防止串擾，這樣它們就不會對用于其他量子比特的微波脈沖做出反應。但這使得量子比特難以執行相互通信的基本任務，并且還使處理器變慢。對于可調諧耦合器，我們不需要特定頻率的制造。相反，我們引入了一種“開-關”開關，使用磁場來決定一個量子比特是否應該與另一個量子比特通信。結果：我們幾乎消除了量子比特之間的串擾錯誤，使我們能夠運行更快、更可靠的門。

隨著硬件的改進，我們還證明了我們可以使用錯誤緩解算法來處理一些噪聲。可以通過多種方式實現錯誤緩解。在我們的例子中，我們運行量子程序，分析系統中的噪聲如何改變程序輸出，然后創建一個噪聲模型。然后，我們可以使用經典計算和噪聲模型來恢復無噪聲結果的外觀。因此，我們量子計算機的周圍硬件和軟件包括能夠執行錯誤緩解、抑制并最終糾正錯誤的經典計算。

除了不斷改進的硬件進步外，我們還與加州大學伯克利分校合作，在 2023 年證明，運行我們的 127 量子比特量子芯片 Eagle 的量子計算機可以運行超出蠻力經典模擬能力的電路，即經典計算機精確模擬量子計算機以運行電路的方法。 達到量子效用。我們這樣做是為了解決一個真正的凝聚態物理問題，即找到一個簡化原子系統（其結構類似于我們處理器量子比特的布局）的磁化特性的值。

左圖：量子處理單元不僅僅是一個芯片。它包括互連、放大器和信號過濾。它還需要經典硬件，包括接收和應用指令以及返回輸出所需的室溫經典計算機。右圖：IBM 量子計算機的核心是蝕刻有超導電路的多層半導體芯片。這些電路包括用于執行計算的量子比特。芯片分為一層與量子比特、一層與諧振器用于讀出，以及多層用于輸入和輸出的布線。

糾錯救援

我們能夠證明我們的量子硬件能夠在不利用量子計算理論最強大的領域（量子糾錯）的情況下勝過蠻力經典模擬。

與在計算后處理噪聲的誤差緩解不同，量子誤差校正可以消除過程中出現的噪聲。它適用于更普遍的噪聲;您無需先找出特定的噪聲模型。此外，雖然隨著量子電路復雜性的增加，誤差緩解的擴展能力有限，但誤差校正將繼續在大規模下工作。

糾錯

量子比特對外部噪聲源極其敏感，因此容易出錯。糾錯技術允許我們將信息編碼為冗余物理量子比特，其中檢查量子比特協同工作以監控數據量子比特。然后，使用檢查量子比特信息來更正錯誤。

光學實驗室

但量子糾錯需要付出巨大的代價：它需要更多的量子比特、更多的連接和更多的門。對于要計算的每個量子比特，可能需要更多量子比特來啟用糾錯。最近在改進硬件和尋找更好的糾錯碼方面取得的進展使我們能夠設想一種糾錯的超級計算機，它可以使這些成本變得物有所值。

量子糾錯方案比傳統二進制計算機中的糾錯要復雜一些。要正常工作，這些量子方案要求硬件錯誤率低于某個閾值。自量子糾錯問世以來，理論家們設計了閾值更寬松的新代碼，而量子計算機工程師則開發了性能更好的系統。但目前還沒有能夠使用糾錯來執行大規模計算的量子計算機。

與此同時，糾錯理論繼續進步。莫斯科國立大學物理學家 Pavel Panteleev 和 Gleb Kalachev 的一項有希望的發現激勵我們為我們的系統尋求一種新的糾錯碼。他們 2021 年的論文證明了“好代碼”的理論存在，在這些代碼中，執行糾錯所需的額外量子比特數量更有利。

這導致了對一系列代碼的研究爆炸式增長，稱為量子低密度奇偶校驗碼或 qLDPC 碼。今年早些時候，我們的團隊發布了一個 qLDPC 代碼，其錯誤閾值足夠高，我們可以想象在近期的量子計算機上實現它;量子比特之間所需的連接量僅略高于我們的硬件已經提供的數量。此代碼只需要以前方法的十分之一的量子比特數即可在同一級別實現糾錯。

這些理論發展使我們能夠設想一臺實驗可訪問規模的糾錯量子計算機，前提是我們能夠將足夠的量子處理能力連接在一起，并盡可能多地利用經典計算。

混合經典量子計算機取勝

為了利用糾錯功能，并達到足夠大的規模來解決量子計算機的人類相關問題，我們需要構建更大的 QPU 或將多個 QPU 連接在一起。我們還需要將經典計算與量子系統相結合。

以量子為中心的超級計算機將包括數千個經過糾錯的量子比特，以釋放量子計算機的全部功能。以下是我們將如何實現目標。

2024

蒼鷺

→ 156 個量子比特

在設置錯誤之前→ 5K 門

2025

火烈鳥

→ 在芯片之間引入 L 型耦合器

→ Connect 7 個芯片，用于 7 x 156 = 1,092 個量子比特

在設置錯誤之前→ 5K 門

2027

火烈鳥

芯片之間→ L 型耦合器

→ 7 x 156 = 1,092 個量子比特

→ 改進的硬件和錯誤緩解

→ 10K 門，然后設置錯誤

2029

椋

→ 200 個量子比特

→ L、M 和 C 耦合器組合

→ 糾錯

→ 100M 門

2030

藍鳥

→ 2,000 個量子比特

→ 糾錯

→ 1B 登機口

去年，我們發布了一臺稱為 IBM Quantum System Two 的機器，我們可以使用它來開始在可擴展的量子計算系統中進行誤差緩解和糾錯的原型設計。系統 Two 依賴于更大的模塊化低溫恒溫器，使我們能夠將多個量子處理器放入具有短距離互連的單個冰箱中，然后將多個冰箱組合成一個更大的系統，有點像在傳統超級計算機上添加更多機架。

除了 System Two 的發布，我們還詳細介紹了實現我們愿景的 10 年計劃。該路線圖上的大部分早期硬件工作都與互連有關。我們仍在開發將量子芯片連接到更大的芯片（如樂高積木）所需的互連，我們稱之為 m 耦合器。我們還在開發互連，以便在更遠的芯片之間傳輸量子信息，稱為 L 型耦合器。我們希望在今年年底前完成 m 和 l 耦合器的原型設計。我們還在開發片上耦合器，將同一芯片上比最近的鄰居更遠的量子比特連接起來，這是我們新開發的糾錯代碼的要求。我們計劃在 2026 年底之前交付這款 C 型耦合器。與此同時，我們將改進錯誤緩解功能，以便到 2028 年，我們可以在 7 個并行量子芯片上運行量子程序，每個芯片能夠在錯誤出現之前在 156 個量子比特上執行多達 15000 個精確門。

我們還在繼續推進糾錯工作。我們的理論家一直在尋找需要更少額外量子比特以獲得更強糾錯能力并允許更高錯誤閾值的代碼。我們還必須確定對編碼到糾錯碼中的信息運行操作的最佳方式，然后實時解碼該信息。我們希望在 2028 年底之前展示這些。這樣，在 2029 年，我們就可以首次推出我們的第一臺結合了錯誤緩解和糾錯功能的量子計算機，它可以在 200 個量子比特上運行多達 1 億個門，直到錯誤出現。糾錯方面的進一步進展將使我們能夠到 2033 年在 2000 個量子比特上運行 10 億個門。

編織以量子為中心的超級計算機

緩解和糾正錯誤的能力消除了全面量子計算道路上的主要障礙。但我們仍然認為這不足以解決最大、最有價值的問題。出于這個原因，我們還引入了一種新的算法運行方式，將多個量子電路和分布式經典計算編織成一臺以量子為中心的超級計算機。

許多人將“量子計算機”設想為單個 QPU，自行工作以在數百萬個物理量子比特上運行具有數十億次操作的程序。相反，我們設想的計算機包含多個 QPU，與分布式經典計算機并行運行量子電路。

結合量子和經典的優勢

以量子為中心的超級計算利用并行工作負載中的量子和經典資源來運行比以前更大的計算。以量子為中心的超級計算機是一種經過優化的系統，可在同一數據中心內協調量子計算機和高級經典計算集群的工作。

最近的工作展示了通過將經典計算與量子處理相結合，讓我們更高效地運行量子電路的技術。這些技術稱為電路編織，它將單個量子計算問題分解為多個量子計算問題，然后在量子處理器上并行運行它們。然后，量子計算機和經典計算機的組合將電路結果編織在一起，得出最終答案。

另一種技術使用經典計算機來運行除核心（本質上是計算的量子部分）之外的所有部分。我們相信，正是這最后一個愿景將首先實現量子優勢。

因此，量子計算機不僅包括一個量子處理器、其控制電子設備和稀釋制冷機，還包括執行糾錯和錯誤緩解所需的經典處理。

我們還沒有實現完全集成的以量子為中心的超級計算機。但我們正在為 System Two 和 Qiskit 奠定基礎，Qiskit 是我們用于運行大型量子工作負載的全棧量子計算軟件。我們正在構建能夠管理電路編織的中間件，并在需要時提供適當的計算資源。下一步是完善我們的硬件和軟件基礎設施，以便 quantum 和 classic 可以相互擴展，以完成超出任何一方能力的事情。

今天的量子計算機現在是科學工具，能夠運行超出經典模擬的蠻力能力的程序，至少在模擬某些量子系統時是這樣。但我們必須繼續改進我們的量子和經典基礎設施，以便它結合起來，能夠加快解決與人類相關的問題。考慮到這一點，我們希望更廣泛的計算社區將繼續研究結合電路編織、并行量子電路和錯誤緩解的新算法，以找到可以在短期內從量子中受益的使用案例。

我們期待著有一天，最強大的超級計算機 500 強名單中將包括以量子處理器為核心的機器。