量子計算已經(jīng)超越了"科學好奇"階段，但最終還沒有達到通用、容錯的階段。

研究人員表示，這需要量子計算機和經(jīng)典高性能計算協(xié)同使用。當兩者結合時，它們可以處理新興算法和工作流程，真正擴展現(xiàn)實世界的應用。

為此，IBM發(fā)布了業(yè)界首個公開的量子中心超級計算參考架構。這個新藍圖概述了量子和經(jīng)典系統(tǒng)如何在一個計算環(huán)境中協(xié)作，解決"任何單一計算方法都無法獨自解決"的科學挑戰(zhàn)。

這種混合方法很有前景，但與任何新興技術一樣，仍存在挑戰(zhàn)。"量子硬件和經(jīng)典硬件之間存在巨大差異，你必須以某種方式將兩者匹配起來，"Moor Insights & Strategy副總裁兼首席分析師Paul Smith-Goodson指出。"這就像試圖用汽油發(fā)動機驅動特斯拉一樣。"

IBM架構集成

IBM的架構將量子處理器與現(xiàn)代超級計算環(huán)境集成，包括GPU和CPU集群、高速網(wǎng)絡，以及跨本地系統(tǒng)、云端和研究中心的共享存儲。該公司表示，這種協(xié)調的工作流程可以支持計算密集型工作負載和算法研究。

該基礎設施還集成了編排和開源框架，如Qiskit——一個基于Python的量子計算機編程軟件開發(fā)工具包。這意味著開發(fā)人員和科學家可以通過他們熟悉的工具和工作流程訪問量子計算。

IBM研究人員在一篇新論文中解釋說，量子計算機和經(jīng)典高性能計算傳統(tǒng)上是"獨立運行的分散系統(tǒng)"。這可能很"麻煩"，因為用戶必須手動編排工作流程、協(xié)調調度和在系統(tǒng)間傳輸數(shù)據(jù)，從而阻礙生產(chǎn)力并"嚴重"限制算法探索。

但混合方法可以簡化將量子計算應用到化學、材料科學和優(yōu)化等領域問題的過程，并"解決以前無法觸及的問題"，IBM表示。

三個發(fā)展階段

研究人員將量子中心超級計算的發(fā)展分為三個不同階段：量子系統(tǒng)作為高性能計算環(huán)境中的專用計算卸載引擎；通過先進中間件耦合的量子和經(jīng)典高性能計算系統(tǒng)；以及為混合工作流程完全協(xié)同設計的高性能計算和量子系統(tǒng)。

第一階段專注于建立"跨多個維度的基礎集成"，研究人員解釋說。第二階段專注于減少延遲、創(chuàng)建多種復雜的反饋機制，并支持復雜的混合算法。第三階段代表通過"完全協(xié)同設計的異構系統(tǒng)"的集成"頂峰"，其中量子和經(jīng)典資源從根本上被架構為統(tǒng)一平臺。

研究人員指出，后者反映了GPU在高性能計算系統(tǒng)中的發(fā)展軌跡；早期GPU通常作為連接到主處理器的外部加速器。但隨后在GPU和CPU之間，以及GPU與GPU之間建立了互連，以提供更高的帶寬和更低的延遲。

"類似地，量子系統(tǒng)將從獨立單元過渡到協(xié)同設計的量子-高性能計算平臺中完全集成的組件，"研究人員認為。

實際應用案例

IBM表示，科學家已經(jīng)在使用其量子中心架構為"真實實驗提供準確結果"。這包括克利夫蘭診所對最大分子模型之一的模擬；創(chuàng)建和驗證首個具有不尋常電子結構的半莫比烏斯分子；以及對鐵硫簇——生物學和化學中基本分子——的最大規(guī)模模擬之一。

行業(yè)競爭格局

IBM一直在積極推進量子計算，并似乎有"迄今為止最明確的計劃"，Smith-Goodson指出。其他科技巨頭包括IonQ、谷歌、微軟和亞馬遜也在推出量子路線圖，而更專業(yè)的公司如Quantinuum、QuEra Computing和Xanadu正在探索新穎技術。

Smith-Goodson指出，IBM類型的量子中心超級計算機可能在一段時間內成為標準。"它不僅僅是獨立的東西，兩者之間真的會超級充電。"他指出，量子計算機需要變得更加容錯，以便即使在出現(xiàn)錯誤時也能運行，因為它將永久插入超級計算機。

在使用經(jīng)典和量子處理的算法中，每種技術在對話循環(huán)中發(fā)揮自己的作用。例如，經(jīng)典組件將假設參數(shù)，然后將它們發(fā)送到量子；量子將運行電路，測量結果并將其拋回；經(jīng)典將更新它并為下一輪發(fā)送更多參數(shù)。"它們來回進行，直到最終得到好答案，"Smith-Goodson解釋說。

最終，他指出，大多數(shù)問題不是100%量子的；量子可以執(zhí)行非常復雜的計算，但其余大部分工作仍在經(jīng)典方面，后者必須在錯誤糾正等領域做"大量繁重工作"，并具有信心。

然而，這些混合環(huán)境的一大挑戰(zhàn)是速度，因為量子比經(jīng)典快幾個數(shù)量級。云不是最優(yōu)的，因為網(wǎng)絡延遲可能比量子執(zhí)行需求"長數(shù)千倍"，Smith-Goodson指出。

最終，雖然量子仍有很多挑戰(zhàn)，但行業(yè)正在"解決這些問題"，IBM的新框架就是證明，Smith-Goodson指出。

"我很高興看到這最終發(fā)表在arXiv上，并將其闡述出來，讓我們很好地了解他們打算做什么，"他說。"它越來越接近了，我們必須獲得容錯性。我認為這是議程上的下一項。"

Q&A

Q1：什么是量子中心超級計算架構？

A：量子中心超級計算架構是IBM發(fā)布的業(yè)界首個公開參考架構，它將量子處理器與現(xiàn)代超級計算環(huán)境集成，包括GPU和CPU集群、高速網(wǎng)絡和共享存儲，讓量子和經(jīng)典系統(tǒng)在一個計算環(huán)境中協(xié)作解決科學挑戰(zhàn)。

Q2：混合量子-經(jīng)典計算有什么優(yōu)勢？

A：混合方法可以簡化將量子計算應用到化學、材料科學和優(yōu)化等領域的過程，解決以前無法觸及的問題。在算法中，經(jīng)典和量子組件形成對話循環(huán)，經(jīng)典組件處理參數(shù)和錯誤糾正等繁重工作，量子組件執(zhí)行復雜計算。

Q3：量子中心超級計算如何發(fā)展？

A：發(fā)展分為三個階段：第一階段是量子系統(tǒng)作為高性能計算環(huán)境中的專用計算卸載引擎；第二階段通過先進中間件耦合量子和經(jīng)典系統(tǒng)；第三階段是完全協(xié)同設計的統(tǒng)一平臺，類似GPU在高性能計算系統(tǒng)中的發(fā)展軌跡。