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2022/5/11 08:30

IBM公布最新量子路线图:预测以量子为中心的超级计算的未来

C114通信网  余予

C114讯 北京时间5月11日消息(余予)IBM日前发布更新版量子发展路线图。IBM研究员兼量子计算副总裁Jay Gambetta发布博文,分享了新的IBM量子路线图内容,并对以量子为中心的超级计算的未来进行预测。

以下为博客全文:

我们是探险家。我们正在努力探索计算的极限,绘制从未实现的技术路线,并绘制出我们认为这些技术将如何使我们的客户受益并解决世界上最大的挑战的地图。但我们不能简单地进入未知领域。一个好的探险家需要一张地图。

两年前,我们发布了该路线图的初稿以迈出第一步:我们雄心勃勃的发展量子计算技术的三年计划,称为我们的发展路线图。从那时起,我们的探索揭示了新的发现,使我们有了新的见解,使我们能够改进地图并使我们能够走得比计划的更远。今天,我们很高兴向您展示最新的路线图:我们计划将量子处理器、CPU和GPU整合成一个计算结构,该结构能够解决超出经典资源范围的问题。

我们的目标是建造以量子为中心的超级计算机。以量子为中心的超级计算机将包含量子处理器、经典处理器、量子通信网络和经典网络,所有这些协同工作将彻底改变我们的计算方式。为此,我们需要解决扩展量子处理器的挑战,开发一个运行时环境,以提供更高速度和更优质量的量子计算,同时引入一个无服务器编程模型,以允许量子处理器和经典处理器无摩擦地协同工作。

但首先:这段旅程从哪里开始?我们在2016年将第一台量子计算机放到云端,并在2017年推出了用于对这些量子计算机进行编程的开源软件开发工具包“Qiskit”。我们在2019年推出了第一个集成量子计算机系统“IBM Quantum System One”,然后在2020年我们公布了开发路线图,展示了我们计划如何将量子计算机发展成一项成熟的商业技术。

作为该路线图的一部分,我们在2021年发布了127量子位的IBM Quantum Eagle处理器并推出了 Qiskit Runtime,这是一个由共定位经典系统和量子系统组成的环境,旨在支持以速度和规模对量子电路进行容器化执行。 第一个版本在研究级量子工作负载上提供了120倍的加速。今年早些时候,我们推出了带有原语的Qiskit Runtime服务:预构建的程序允许算法开发人员轻松访问量子计算的输出,而无需对硬件有复杂的了解。

现在,我们最新的地图将为我们指明前进的方向。

IBM Quantum 2022 最新开发路线图

为无服务器量子计算做准备

为了从我们世界领先的硬件中获益,我们需要开发软件和基础设施,以便我们的用户可以利用它。不同的用户有不同的需求和体验,我们需要为每个角色构建工具:内核开发人员、算法开发人员和模型开发人员。

对于我们的内核开发人员——那些专注于在真正的硬件上制作更快、更好的量子电路的人——我们将交付并完善Qiskit Runtime。首先,我们将添加动态电路,它允许量子测量的反馈和前馈以改变或引导未来的操作过程。动态电路通过减少电路深度、允许构建电路使用不同的替代模型,并允许对量子纠错核心的基本操作进行奇偶校验扩展了硬件的功能。

为了在2023年继续提高量子程序的速度,我们计划将线程引入Qiskit Runtime,使我们能够运行并行的量子处理器,包括自动分配可简单并行的工作。在2024年和2025年,我们将在Qiskit Runtime中引入错误缓解和抑制技术,以便用户可以专注于提高从量子硬件获得的结果的质量。这些技术将有助于为未来的量子纠错奠定基础。

然而,如果我们希望量子得到更广泛的应用,我们还有很多工作要做,例如在我们的算法开发人员中——他们在经典例程中使用量子电路,以制作展示量子优势的应用程序。

对于我们的算法开发人员,我们将完善Qiskit Runtime服务的原语。量子计算机的独特之处在于它们能够在其输出处生成非经典概率分布。因此,大部分量子算法的开发都与从这些分布中采样或估计属性有关。原语是一组核心功能,可以轻松高效地使用这些分布。

通常,算法开发人员需要将问题分解为一系列较小的量子和经典程序,并使用编排层将数据流拼接成到整体工作流程中。我们将负责这种拼接的基础设施称为Quantum Serverless。Quantum Serverless以实现灵活的量子经典资源组合为中心,无需开发人员成为硬件和基础设施专家,同时仅在开发人员需要时分配那些计算资源。2023年,我们计划将Quantum Serverless集成到我们的核心软件堆栈中,以启用电路编织等核心功能。

什么是电路编织?电路编织技术将较大的电路分解成更小的部分以在量子计算机上运行,然后使用经典计算机将结果重新编制在一起。

今年早些时候,我们展示了一种称为纠缠锻造的电路编织方法,可以用相同数量的量子比特奖励在那个子系统规模扩大一倍。然而,电路编织要求我们可以运行大量跨量子资源分割并与经典资源协调的电路。我们认为具有经典通信的并行量子处理器将能够更快地带来量子优势,最近的一篇论文提出了一条前进的道路。

有了所有这些部分,我们很快就会为我们的模型开发人员准备好量子计算——他们开发量子应用程序以找到解决其特定领域中复杂问题的解决方案。我们认为到明年,我们将开始为特定用例设计量子软件应用程序的原型。我们将通过我们的第一个测试用例——机器学习——开始定义这些服务,并与合作伙伴一起加速通往有用的量子软件应用程序的道路。到2025年,我们认为模型开发人员将能够探索机器学习、优化、自然科学等领域的量子应用。

解决规模问题

当然,我们知道量子计算的核心是使运行量子程序成为可能的硬件。我们还知道,一台能够充分发挥其潜力的量子计算机可能需要数十万甚至数百万的高质量量子比特,因此我们必须弄清楚如何扩大这些处理器的规模。凭借将分别于2022年和2023年发布的433量子位的“Osprey”处理器和1121量子位的“Condor”处理器,我们将测试单芯片处理器的极限并控制集成到IBM Quantum System Two中的大规模量子系统。但我们不打算在一个巨大的芯片上实现大规模量子计算机。取而代之的是,我们正在开发一种将处理器链接在一起形成模块化系统的方法,该系统能够在没有物理限制的情况下进行扩展。

为了解决规模问题,我们将介绍三种不同的方法。首先,在2023年,我们将推出“Heron”:具有控制硬件的133量子位处理器,允许在不同处理器之间进行实时经典通信,从而实现上述编织技术;第二种方法是通过启用多芯片处理器来扩展量子处理器的大小。“Crossbill”是一个408量子位处理器,将由三个芯片组成,这些芯片通过芯片到芯片的耦合器连接,允许在多个芯片上连续实现重十六进制晶格。这种架构的目标是让用户感觉好像他们只是在使用一个更大的处理器。

计划于2023年推出的133量子位“Heron”处理器

除了通过多芯片处理器的模块化连接进行扩展外,我们还计划在2024年引入我们的第三种方法:处理器之间的量子通信以支持量子并行化。我们将介绍具有内置量子通信链路的462量子比特的“Flamingo”处理器,然后通过将至少三个Flamingo处理器链接在一起形成一个1386量子比特系统来发布该架构的演示。我们预计这种链接将导致跨处理器的门速度较慢且保真度较低。我们的软件需要了解这种架构的顾虑,以便我们的用户最好地利用这个系统。

通过不同芯片之间的双量子比特门进行量子通信

我们对规模的了解将把所有这些进步结合在一起,以充分发挥它们的潜力。因此,在2025年,我们将推出“Kookaburra”处理器。Kookaburra将是一个具有量子通信链路的1386量子位多芯片处理器。作为演示,我们将把三个Kookaburra芯片连接到一个4158量子位的系统中,通过量子通信为我们的用户提供服务。

将于2025年推出1386 量子比特的多芯片处理器“Kookaburra”

这些技术的结合——经典并行化、多芯片量子处理器和量子并行化——为我们提供了将计算机扩展到我们的路线图的任何地方所需要的所有要素。到2025年,我们将通过模块化量子硬件以及随之而来的控制电子设备和低温基础设施,有效地消除扩展量子处理器的主要界限。在我们的软件和硬件中推动模块化,将是我们超越竞争对手的关键,我们很高兴将其交付给您。

以量子为中心的超级计算机

我们最新的路线图将我们带到了2025年——但发展不会止步于此。届时,我们将消除量子硬件规模扩展道路上的一些最大障碍,同时开发能够将量子集成到计算工作流程中的工具和技术。当我们进入量子未来时,这种巨变将相当于用GPS卫星取代纸质地图。

不过,我们不仅仅是在考虑量子计算机。我们正试图引领整个计算的范式转变。多年来,以CPU为中心的超级计算机是社会的处理主力,IBM是这些系统的主要开发商。在过去的几年里,我们看到了以人工智能为中心的超级计算机的出现,其中CPU和GPU在巨型系统中协同工作,以解决人工智能繁重的工作负载。

现在,IBM正在迎来以量子为中心的超级计算机时代,量子资源——QPU——将与CPU和GPU一起编织成一个计算结构。我们认为,以量子为中心的超级计算机将成为那些解决最棘手问题、进行最具开创性研究和开发最尖端技术的人的关键技术。

我们可能走上了正轨,但探索未知领域并不容易。我们正试图在短短几年内重写计算规则。按照我们的路线图,我们需要解决一些非常棘手的工程和物理问题。

但我们非常有信心——毕竟,在我们世界领先的研究团队、IBM Quantum Network、Qiskit开源社区以及我们不断壮大的内核、算法和模型开发人员社区的帮助下,我们已经走到了这一步。我们很高兴在我们继续前进的过程中有你们的陪伴。

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