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(shù)嶺國家實(shí)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(wú)法在合理的時(shí)間內解決一些計算問(wèn)題。

其中一些問(wèn)題就像將大量數字分解為素數一樣簡(jiǎn)單。其他方面是當今地球面臨的最重要的問(wèn)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(kāi)發(fā)更高效的碳捕獲或電池材料。

然而，在未來(lái)十年，我們預計會(huì )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(wèn)題，而且我們希望它能以一小部分成本、占地面積、時(shí)間和能源來(lái)實(shí)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(zhì)的奇怪行為——量子計算。

幾十年來(lái)，量子計算機一直在努力實(shí)現商業(yè)可行性。為這些計算機提供動(dòng)力的量子行為對環(huán)境噪聲極其敏感，并且很難擴展到足夠大的機器來(lái)進(jìn)行有用的計算。但在過(guò)去十年中，已經(jīng)取得了幾項關(guān)鍵進(jìn)展，包括硬件的改進(jìn)以及如何處理噪聲的理論進(jìn)步。這些進(jìn)步使量子計算機最終達到了經(jīng)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(kāi)始想象計算的未來(lái)會(huì )是什么樣子。我們預計量子計算不會(huì )取代經(jīng)典計算。相反，量子計算機和經(jīng)典計算機將協(xié)同工作，以運行超出單獨使用任何一方所能進(jìn)行的計算。世界各地的幾家超級計算機設施已經(jīng)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(chēng)為混合量子經(jīng)典計算，并且可能還有其他名稱(chēng)，但我們稱(chēng)其為以量子為中心的視覺(jué)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(chēng)之為量子處理單元 （QPU）。QPU 在某些任務(wù)中比經(jīng)典處理單元表現得更好，這來(lái)自于一種根本不同的工作原理，它植根于量子力學(xué)的物理學(xué)。

在標準或 “經(jīng)典” 計算模型中，我們可以將所有信息簡(jiǎn)化為二進(jìn)制數字字符串，簡(jiǎn)稱(chēng)位，它可以取 0 或 1 的值。我們可以使用簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)來(lái)處理這些信息，例如 AND、OR、NOT 和 NAND，它們一次作用于一個(gè)或兩個(gè)位。經(jīng)典計算機的 “狀態(tài)” 由其所有位的狀態(tài)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(gè)^N國家。

但是量子計算機在計算過(guò)程中可以訪(fǎng)問(wèn)更豐富的狀態(tài)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(guò)稱(chēng)為疊加的量子屬性表示 0、1 或兩者的線(xiàn)性組合。雖然數字計算機只能位于這 2 個(gè)中的一個(gè)^N狀態(tài)，則量子計算機在計算過(guò)程中可以同時(shí)處于多個(gè)邏輯狀態(tài)。不同量子比特所在的疊加態(tài)可以以基本方式相互關(guān)聯(lián)，這要歸功于另一種稱(chēng)為糾纏的量子特性。在計算結束時(shí)，量子比特只采用一種狀態(tài)，該狀態(tài)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(yōu)于經(jīng)典范式。但在 1994 年，麻省理工學(xué)院的數學(xué)家彼得·肖爾 （Peter Shor） 發(fā)現了一種算法，該算法使用量子計算范式，可以比最好的經(jīng)典算法快得多地將大數劃分為質(zhì)因數。兩年后，Lov Grover 發(fā)現了一種量子算法，它可以比經(jīng)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(xué)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(fā)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(lài)于構建可以重新創(chuàng )建違反直覺(jué)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(gè)物理量子比特都由兩個(gè)超導板組成，它們充當電容器，連接到稱(chēng)為 Josephson 結的組件，這些組件充當特殊的無(wú)損非線(xiàn)性電感器。

流經(jīng) Josephson 結的電流被量化 - 固定為離散值。Josephson 交匯點(diǎn)確保其中只有兩個(gè)值（或其疊加）是實(shí)際可訪(fǎng)問(wèn)的。量子比特以?xún)蓚€(gè)當前級別編碼，一個(gè)表示 0，另一個(gè)表示 1。但是，如前所述，量子比特也可以存在于 0 和 1 狀態(tài)的疊加中。

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

我們更改量子比特狀態(tài)，并將量子比特與量子指令（通常稱(chēng)為門(mén)）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(chēng)為量子電路）并返回由二進(jìn)制字符串表示的單個(gè)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(chuàng )建單個(gè)二進(jìn)制輸出等任務(wù)所需的經(jīng)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(xiàn)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(lái)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(huì )破壞量子比特脆弱的量子特性?？刂七@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(guān)鍵。

讓 Quantum Stuff 達到 Snuff

目前還沒(méi)有人最終證明量子優(yōu)勢，也就是說(shuō)，量子計算機在現實(shí)世界的相關(guān)任務(wù)上優(yōu)于最好的經(jīng)典計算機。展示真正的量子優(yōu)勢將預示著(zhù)計算的新時(shí)代，以前棘手的任務(wù)現在觸手可及。

在我們實(shí)現這個(gè)宏偉的目標之前，我們必須把目光放得更低一些，一個(gè)我們稱(chēng)之為量子效用的目標。量子效用是量子硬件勝過(guò)量子電路的蠻力經(jīng)典計算的能力。換句話(huà)說(shuō)，這是量子硬件比傳統計算機更擅長(cháng)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(tīng)起來(lái)可能平淡無(wú)奇，但它是通往量子優(yōu)勢的必要墊腳石。近年來(lái)，量子社區終于達到了這個(gè)門(mén)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(jìn)，值得構建到以量子為中心的超級計算機中。實(shí)現這一里程碑需要一系列進(jìn)步，包括硬件和算法的改進(jìn)。

自 2019 年以來(lái)，我們一直在整合半導體制造的進(jìn)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(fǎng)問(wèn)量子比特，以減少芯片上的布線(xiàn)，這是潛在的噪聲源。我們還引入了讀出多路復用技術(shù)，它允許我們通過(guò)單根導線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)來(lái)自多個(gè)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(chēng)為可調諧耦合器的組件，在我們的硬件上實(shí)施了一種執行量子門(mén)的新方法，即改變量子比特值的程序步驟。以前，我們通過(guò)制造響應不同頻率的量子比特來(lái)防止串擾，這樣它們就不會(huì )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(wù)，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(kāi)-關(guān)”開(kāi)關(guān)，使用磁場(chǎng)來(lái)決定一個(gè)量子比特是否應該與另一個(gè)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(mén)。

隨著(zhù)硬件的改進(jìn)，我們還證明了我們可以使用錯誤緩解算法來(lái)處理一些噪聲。可以通過(guò)多種方式實(shí)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(chuàng )建一個(gè)噪聲模型。然后，我們可以使用經(jīng)典計算和噪聲模型來(lái)恢復無(wú)噪聲結果的外觀(guān)。因此，我們量子計算機的周?chē)布蛙浖軌驁绦绣e誤緩解、抑制并最終糾正錯誤的經(jīng)典計算。

除了不斷改進(jìn)的硬件進(jìn)步外，我們還與加州大學(xué)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(jīng)典模擬能力的電路，即經(jīng)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(gè)真正的凝聚態(tài)物理問(wèn)題，即找到一個(gè)簡(jiǎn)化原子系統（其結構類(lèi)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(gè)芯片。它包括互連、放大器和信號過(guò)濾。它還需要經(jīng)典硬件，包括接收和應用指令以及返回輸出所需的室溫經(jīng)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(xiàn)。

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(lǐng)域（量子糾錯）的情況下勝過(guò)蠻力經(jīng)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(guò)程中出現的噪聲。它適用于更普遍的噪聲;您無(wú)需先找出特定的噪聲模型。此外，雖然隨著(zhù)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(shù)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(xié)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(lái)更正錯誤。

光學(xué)實(shí)驗室

但量子糾錯需要付出巨大的代價(jià)：它需要更多的量子比特、更多的連接和更多的門(mén)。對于要計算的每個(gè)量子比特，可能需要更多量子比特來(lái)啟用糾錯。最近在改進(jìn)硬件和尋找更好的糾錯碼方面取得的進(jìn)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(jìn)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(gè)閾值。自量子糾錯問(wèn)世以來(lái)，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(kāi)發(fā)了性能更好的系統。但目前還沒(méi)有能夠使用糾錯來(lái)執行大規模計算的量子計算機。

與此同時(shí)，糾錯理論繼續進(jìn)步。莫斯科國立大學(xué)物理學(xué)家 Pavel Panteleev 和 Gleb Kalachev 的一項有希望的發(fā)現激勵我們?yōu)槲覀兊南到y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(cháng)，稱(chēng)為量子低密度奇偶校驗碼或 qLDPC 碼。今年早些時(shí)候，我們的團隊發(fā)布了一個(gè) 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(shí)現它;量子比特之間所需的連接量?jì)H略高于我們的硬件已經(jīng)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(shí)現糾錯。

這些理論發(fā)展使我們能夠設想一臺實(shí)驗可訪(fǎng)問(wèn)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(jīng)典計算。

混合經(jīng)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(lái)解決量子計算機的人類(lèi)相關(guān)問(wèn)題，我們需要構建更大的 QPU 或將多個(gè) QPU 連接在一起。我們還需要將經(jīng)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(gè)經(jīng)過(guò)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(shí)現目標。

2024

蒼鷺

→ 156 個(gè)量子比特

在設置錯誤之前→ 5K 門(mén)

2025

火烈鳥(niǎo)

→ 在芯片之間引入 L 型耦合器

→ Connect 7 個(gè)芯片，用于 7 x 156 = 1,092 個(gè)量子比特

在設置錯誤之前→ 5K 門(mén)

2027

火烈鳥(niǎo)

芯片之間→ L 型耦合器

→ 7 x 156 = 1,092 個(gè)量子比特

→ 改進(jìn)的硬件和錯誤緩解

→ 10K 門(mén)，然后設置錯誤

2029

椋

→ 200 個(gè)量子比特

→ L、M 和 C 耦合器組合

→ 糾錯

→ 100M 門(mén)

2030

藍鳥(niǎo)

→ 2,000 個(gè)量子比特

→ 糾錯

→ 1B 登機口

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

除了 System Two 的發(fā)布，我們還詳細介紹了實(shí)現我們愿景的 10 年計劃。該路線(xiàn)圖上的大部分早期硬件工作都與互連有關(guān)。我們仍在開(kāi)發(fā)將量子芯片連接到更大的芯片（如樂(lè )高積木）所需的互連，我們稱(chēng)之為 m 耦合器。我們還在開(kāi)發(fā)互連，以便在更遠的芯片之間傳輸量子信息，稱(chēng)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(kāi)發(fā)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(lái)，這是我們新開(kāi)發(fā)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(shí)，我們將改進(jìn)錯誤緩解功能，以便到 2028 年，我們可以在 7 個(gè)并行量子芯片上運行量子程序，每個(gè)芯片能夠在錯誤出現之前在 156 個(gè)量子比特上執行多達 15000 個(gè)精確門(mén)。

我們還在繼續推進(jìn)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(shí)時(shí)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(gè)量子比特上運行多達 1 億個(gè)門(mén)，直到錯誤出現。糾錯方面的進(jìn)一步進(jìn)展將使我們能夠到 2033 年在 2000 個(gè)量子比特上運行 10 億個(gè)門(mén)。

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(jià)值的問(wèn)題。出于這個(gè)原因，我們還引入了一種新的算法運行方式，將多個(gè)量子電路和分布式經(jīng)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(gè) QPU，自行工作以在數百萬(wàn)個(gè)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(gè) QPU，與分布式經(jīng)典計算機并行運行量子電路。

結合量子和經(jīng)典的優(yōu)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(jīng)典資源來(lái)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(jīng)過(guò)優(yōu)化的系統，可在同一數據中心內協(xié)調量子計算機和高級經(jīng)典計算集群的工作。

最近的工作展示了通過(guò)將經(jīng)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(shù)。這些技術(shù)稱(chēng)為電路編織，它將單個(gè)量子計算問(wèn)題分解為多個(gè)量子計算問(wèn)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(jīng)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(shù)使用經(jīng)典計算機來(lái)運行除核心（本質(zhì)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(gè)愿景將首先實(shí)現量子優(yōu)勢。

因此，量子計算機不僅包括一個(gè)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(jīng)典處理。

我們還沒(méi)有實(shí)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(shí)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(xué)工具，能夠運行超出經(jīng)典模擬的蠻力能力的程序，至少在模擬某些量子系統時(shí)是這樣。但我們必須繼續改進(jìn)我們的量子和經(jīng)典基礎設施，以便它結合起來(lái)，能夠加快解決與人類(lèi)相關(guān)的問(wèn)題?？紤]到這一點(diǎn)，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(zhù)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。