解析IBM量子计算路线图：六大“里程碑”实现完整基础设施构建

北京时间12月15日消息（余予）IBM 在上个月举行的2021 年量子峰会上全面展示了其在量子计算方面稳步发展的亮点，大多数HPC社区在SC21上进行了讨论。在今年实现的六个里程碑的支持下，IBM宣布2023年将是其系统提供量子优势的一年，量子计算作为高性能计算（ HPC）领域的强大工具，将占据早期位置。

目前，量子计算领域取得的进展令人印象深刻，其速度之快可能超出了许多观察者的预期。在这种情况下，长期以来，IBM一直在量子计算领域中占据着重要的地位，其几乎深入研究了这一领域的各个方面、用例以及客户/开发人员的参与。当然，尽管目前还不清楚在众多量子比特技术中哪一种将占上风，IBM专注于基于半导体的超导量子比特技术。很可能不会只有一个。

去年，IBM制定了详细的量子路线图，其中包含围绕硬件、软件和系统基础架构的里程碑。在今年的IBM量子峰会上，IBM研究员兼量子计算副总裁Jay Gambetta与几位同事共同提交了一份成绩单，并展望了IBM的未来计划。他强调了六个里程碑——尤其是IBM最近推出的127量子比特量子处理器Eagle，以及IBM System Two的计划，这是一个新的完整的基础设施，将取代System One。

从很多方面来说，IBM 路线图包含了量子社区中每个人所面临的挑战和愿望。

虽然容错量子计算仍然遥不可及，但量子计算在嘈杂中型量子 (NISQ) 计算机上的实际应用似乎比许多人预期的要近。我们开始看到早期基于量子的应用程序的出现——主要围绕随机数生成。

在深入研究技术讨论之前，值得注意的是，IBM 预计商业格局将如何出现。IBM 与波士顿咨询集团合作，提出了商业应用程序的粗略路线图。

“IBM的路线图不仅仅是具体的，也是雄心勃勃的。”波士顿咨询集团深度技术负责人兼北美负责人Matt Langione 在IBM 峰会上表示，“我们认为IBM今天概述的技术能力将可能在上述期间为最终用户创造30 亿美元的价值。”

以金融服务中的投资组合优化为例。Langione 表示，扩大基于经典计算的优化器的努力“与非连续非凸函数，如利率收益率曲线、交易日志、买入阈值和交易成本等问题作斗争”。量子优化器可以克服这些挑战，并且“到2024年，通过集成经典资源并内置错误缓解功能的量子运行时，以4个9的极高的保真度将交易策略提高多达25个基点。我们相信，这种能力在2025年左右可能会出现在交易员的工作流程中”他说。

他还特别指出了航空航天和汽车设计中用于计算流体动力学的网格优化器，它们具有类似的约束条件。他预测：“在接下来的三年里，量子计算机可能会超越表面尺寸和精度的极限。”

量子计算并不缺少宏伟的计划。IBM认为，通过制定清晰的愿景并实现其里程碑，它将吸引观望社区以及量子社区内的更广泛的支持。以下是Gambetta及其同事对六个主题的简要总结。

1. 打破100量子比特的壁垒

随着2019年Falcon处理器的推出，IBM开始正式统计其当前的量子处理器产品组合；它引入了IBM的重六边形量子位布局，并具有27个量子位。从那以后，IBM一直在改进这种设计。“Hummingbird”量子处理器于2020年首次亮相，拥有65个量子位。“Eagle”近日在其2021年峰会上推出，拥有127 个量子位。每个新处理器的量子比特数大约增加了一倍。接下来，IBM计划在2022年推出具有433个量子位的“Osprey” 。

IBM 量子硬件系统开发总监Jerry Chow 表示，“对于Falcon，我们面临的挑战是可靠的产量。我们通过新颖的约瑟夫森结调谐过程与我们减少碰撞的重六边形晶格相结合来应对这一挑战。通过Hummingbird，我们实现了大比例复用读出，使我们能够将量子位状态读出所需的总低温基础设施降低8倍。这减少了所需的原始组件数量。”

“Eagle是作为扩大我们进行设备封装方式的需求而诞生，以便我们能够以更有效的方式将信号传输到超导量子位。我们实现这一目标的工作在很大程度上依赖于IBM在CMOS技术方面的经验。实际上是两个芯片。”

对于Eagle来说，“约瑟夫森结基座（量子位）位于一个芯片上，该芯片通过凸点键合连接到一个单独的中介层芯片。该内插器芯片通过在整个CMOS 世界中通用的封装技术提供与量子位的连接。其中包括基板通孔和掩埋布线层之类的东西，这对这项技术来说是全新的。掩埋层的存在为信号路由和器件布局提供了灵活性。”Chow表示。

在最近的技术分析师会议上，IBM量子硬件系统开发总监Jerry Chow表示，“我可以肯定地说，这是有史以来最先进的量子计算芯片，其是世界上首个超过100 个量子位的量子处理器。就此而言，它有127个量子位排列在我们众所周知的重六边形晶格中。让我强调一下，它不仅是我们制造的一个处理器，也是一个运行着量子电路的完整工作系统。”

除此之外，Jerry Chow称Eagle 将在今年年底前广泛使用，这大概意味着现在。

看看Eagle 的影响，IBM表示，“增加的量子比特数将允许用户在进行实验和运行应用程序时探索新的复杂程度的问题，例如优化机器学习或建模新的分子和材料，以用于从能源工业到药物发现过程的各个领域。‘Eagle’是IBM的第一个量子处理器，其规模使得经典计算机无法模拟。事实上，在127 量子比特处理器上表示一种状态所需的经典位数量超过了当今75 亿人的原子总数。”

如前所述，Osprey将于明年推出，将拥有433 个量子比特，Chow 表示，它将推出“下一代可扩展的输入输出，可以将信号从室温传递到低温。”

2.克服门错误障碍

测量量子计算的质量可能很棘手。诸如相干持续时间和门控保真度等关键组件受到系统和环境噪声等许多因素的不利影响。克服这些影响是大多数量子处理器被安装在大型稀释冰箱中的原因。IBM开发了一个基准指标，即量子体积 (QV)，其中包含各种性能属性，并且其已经在量子社区中得到了相当广泛的使用。IBM在其某些系统上实现了QV 128。霍尼韦尔（现在的Quantinuum）也报告称其俘获离子装置实现了QV 128。

在IBM 量子峰会上，IBM 研究员兼首席量子架构师Matthias Steffen 回顾了在延长相干时间和提高门保真度方面的进展。

“我们在新的Falcon r8 处理器上取得了突破。我们已经成功地将T1 时间（自旋-晶格弛豫）从大约 0.1 毫秒显着提高到0.3 毫秒。这一突破不仅限于单片式（良好的成品率）。现在已经重复了几次。事实上，我们的一些客户可能已经注意到最近为IBM Peekskill 显示的设备地图，”Steffen表示。“这只是开始。我们已经测试了几个研究测试设备，现在我们正在测试接近可靠地跨越 1 毫秒的障碍的0.6 毫秒。”

“今年我们也取得了突破，提高了门限保真度。您可以看到这些改进（下图）按设备系列颜色编码。我们的Falcon r4器件通常实现接近0.5x10-3的栅极误差。我们的Falcon r5器件还包括更快的读数，性能大约好1/3。事实上，我们最近的许多演示都来自这个r5设备系列。最后，在金色中，您会看到我们的一些最新测试设备，其中包括改进了相干时间的Falcon r8。”

“您还可以看到其他设备的保真度测量结果，包括我们最近开发的Falcon r10，我们在上面测量了一个双量子位门，打破了每个门平面0.001的误差。”Steffen表示。

IBM正在鼓吹实现0.001 门保真度，这相当于每个错误超过1000个门，达到3个9或99.9%的质量，这是一个重要的里程碑。

3.主流Falcon r5

目前，Falcon 架构是IBM的主力。正如IBM所解释的，可访问QPU的产品组合包括核心和探索性芯片：“我们的用户可以访问探索性设备，但这些设备并非一直在线。付费用户可以同时访问核心和探索系统。”

IBM表示有三个衡量系统性能的指标——质量、速度和规模。其中，速度是一个核心要素，IB将速度定义为电路层每秒操作数 (CLOPS)，大致类似于经典计算用语中的 FLOPS。测量速度至关重要，因为快速、高质量的电路可以在更短的时间内解决复杂的问题。一旦量子体积基准测试确定了电路质量，随后就可以编译电路并在硬件上运行以计算CLOPS。

“这是无可避免的。”IBM量子理论与应用系统总监Katie Pizzolato表示，“有用的量子计算需要运行大量电路。大多数应用程序至少需要运行十亿次。如果我的系统运行一个电路需要5毫秒以上，这很简单，运行10 亿个电路需要 58 天；这不是有用的量子计算。”

在最低级别上，QPU的速度由底层架构驱动。“这是我们选择超导量子比特的原因之一。在这些系统中，我们可以轻松地将量子位与处理器中的谐振器耦合。这为我们提供了快速门、快速重置和快速读出速度的基本原理。”Pizzolato表示。

“以Falcon r5处理器为例，这是对Falcon r4的巨大升级。在r5中，我们将新组件集成到处理器中，其测量速率比r4快八倍，且不影响相干性。这使得测量速率从几微秒变为几百纳秒。再加上我们在栅极时间上所做的其他改进，就可以使用Falcon r5向前迈进一大步。”Katie Pizzolato表示。

IBM 现在正式将Falcon r5标记为核心系统，这是探索性的一步。

“我们正在确保Falcon r5正常运行并具有高可靠性。我们相信读取速度更快的r5可以保持高可用性，因此现在将其标记为核心系统，”Pizzolato说。

Pizzolato 没有给出Falcon r5 的具体 CLOPS 数字，但在 12 月初的另一次HPC 专业人士协会的演讲中，IBM量子副总裁兼首席技术官Scott Crowder展示的一张幻灯片表明，IBM的CLOPS为4.3（尽管没有具体说明是哪个 QPU），捕获离子的CLOPS 为45。

4.IBM所有系统都支持Qiskit Runtime

今年5月，IBM推出了Qiskit Runtime测试版，据称这是“IBM Quantum 提供的一种新架构，可以简化需要多次迭代的计算”。这个想法是利用经典系统来加速对QPU的访问，这与CPU在经典计算中管理对GPU的访问的方式不同。现在所有IBM QPU都支持Qiskit Runtime。

“我们创建了Qiskit Runtime，作为在可以非常快速访问量子硬件的环境中执行经典代码的容器平台。”Pizzolato表示，“它彻底改变了量子硬件的使用模式。它允许用户向IBM的量子数据中心提交电路程序，而不是简单的提交电路。这种方法使我们获得了120倍的改进。像VQE（变分量子特征求解器）这样的程序，过去需要我们运行45天，而现在，我们可以在9个小时内解决同样的问题。”

IBM认为，这些进步加上127量子位的“Eagle”处理器意味着，“没有人真的需要再使用模拟器了”。

以下是IBM网站上的Qiskit Runtime描述：“Qiskit Runtime允许授权用户上传他们的Qiskit量子程序供自己或他人使用。Qiskit量子程序，也称为Qiskit Runtime程序，是一段Python代码，它接受特定的输入，执行量子计算，也可能是经典计算，交互式地提供中间结果（如果需要的话），并返还处理结果。然后，相同或其他授权用户可以通过简单地传递所需的输入参数来调用这些量子程序。”

5.Serverless Quantum介绍

IBM表示，Qiskit Runtime是一项更广泛努力的一部分，通过云将经典资源和量子资源更紧密地结合在一起，并创建无服务器量子计算。这将是消除开发人员现在面临的许多障碍的一大步。

“Qiskit Runtime通过将我们的QPU与经典资源相结合以消除延迟并提高效率，从而在电路级别从我们的QPU中获得更多性能。我们用小写字母c称其为经典，”IBM研究人员Sarah Sheldon表示，“我们还发现，我们可以利用经典资源来加速实现量子优势的进程，并让我们更早到达那里。”

“为了做到这一点，我们用大写字母C称之为‘使用经典’。这些功能将同时存在于在内核和算法层面。我们将它们视为一组工具，允许用户在量子资源和经典资源之间进行权衡，从而在内核级别优化应用程序的整体性能。这通过用于采样时间、演化等的电路库来实现。但在算法层面，我们看到了一个未来，我们将提供预构建的Qiskit Runtime，并结合经典集成库。我们称之为电路编织（Circuit Knitting）”Sarah Sheldon表示。

从广义上讲，电路编织是一种将一个具有更多量子位和更大门深度的大型量子电路分解为多个具有更少量子位作为更小门深度的更小的量子电路的技术；然后在经典的后期处理中将结果组合在一起。“这使我们能够模拟比以往任何时候都大得多的系统。我们还可以沿着有高水平噪声或串扰的边缘编织电路。这让我们能够以更高的准确度模拟量子系统，”Sheldon 指出。

IBM报告称，他们仅使用5个量子位及一种特定的“纠缠锻造”技术模拟水分子的基态，将电路编织到弱纠缠的两半，从而演示了电路编织。IBM 表示，通过电路编织，用户可以通过使用这些工具进行速度权衡，来扩大所解决问题的规模或提高结果的质量。

这些新功能被捆绑到 IBM 云上的IBM Code Engine中。IBM表示，代码引擎与较低级别的工具结合将提供无服务器计算。 Pizzolato举例说明，“第一步是定义问题。在这种情况下，我们使用VQE；其次，我们使用 Python 多云分布式计算框架 Lithops 来执行代码。在这个函数中，我们打开一个与 Qiskit Runtime 的通信通道，并运行程序估计器。”

“例如，在经典计算中，我们使用同时扰动随机近似算法。这只是一个例子；你可以把任何东西放在这里。所以现在用户可以坐下来享受结果。随着开发人员越来越多地采用量子，量子无服务器使开发人员能够专注于他们的代码，而不会被拖到配置经典资源的过程中，”她表示。

6、System Two的早期计划

IBM的最终声明是，它正在“结束”IBM Quantum System One，IBM Quantum System One是其全封闭量子计算机基础设施，于2019年首次亮相。IBM量子硬件系统开发总监Jerry Chow表示，System One将能够处理“Eagle”，但 IBM正在与芬兰公司Bluefors合作开发其下一代低温基础设施System Two。

“我们正在积极开发一套全新的技术，从新型高密度、低温微波柔性电缆到新一代基于FPGA的高带宽、集成控制电子设备。”Chow表示。

Bluefors公司推出了其最新的低温平台Kide，它将成为IBM System Two的基础。

“我们将其称为Kide，因为在芬兰语中，Kide 的意思是雪花或水晶，它代表了平台的六边形晶体几何形状，使其具有前所未有的可扩展性和访问权限。” Bluefors 的 Russell Lake 表示，“即使我们创建了一个更大的平台，我们也能维持与较小系统相同的用户可访问性。随着先进量子硬件规模的不断扩大，这一点至关重要。我们通过将量子处理器的冷却与运行热负载分离来优化冷却功率。此外，平台密钥的六重对称性意味着系统可以连接和集群，从而实现大规模扩展的量子硬件配置。”

“IBM Quantum System Two的模块化特性将成为未来量子数据中心的基石，”Gambetta表示。据推测，433量子比特的Osprey处理器将安装在新System Two基础设施的一个版本中。

实际上，有许多公司致力于IBM讨论的所有量子计算方面的工作，但很少有公司能够解决所有这些问题。出于这个原因，IBM的报告对整个量子社区的总体进展进行了有趣的概述。

在2023年实现量子优势，即使只是少数应用，也将是一件大事。

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