IBM豪赌以量子为中心的超级计算机

摘要：2022年6月，美国橡树岭国家实验室发布了Frontier，这是全球最强大的超级计算机，每秒可执行百亿亿次计算。然而，即使是Frontier也可能永远无法在合理的时间内解决某些计算问题。

Ryan、Antonio 等悦智网

2025年01月18日 15:00北京

2022年6月，美国橡树岭国家实验室发布了Frontier，这是全球最强大的超级计算机，每秒可执行百亿亿次计算。然而，即使是Frontier也可能永远无法在合理的时间内解决某些计算问题。

其中一些问题就像将一个大数分解为质数一样简单。还有一些则是当今全球面临的最重要的问题之一，比如对复杂分子快速建模以开发治疗新疾病的药物，或者开发用于碳捕获或电池的更高效的材料。

不过，未来十年里，预计将会出现一种与以往任何形式都不同的全新超级计算范式。它不仅有可能解决这些问题，而且我们还希望它能以更低的成本、更少的占用空间、更短的时间和更少的能源来做到这一点。这种超级计算新范式将包含一种全新的计算架构，模拟原子级物质的奇异行为——量子计算。

几十年来，量子计算机一直难以达到商业可行水平。驱动这些计算机的量子行为对环境噪声极为敏感，并且难以扩展到足够大的机器上来完成有用的计算。然而，过去10年取得了几项重要进展，包括硬件的完善和噪声处理的理论性进步。这些进步使量子计算机至少在某些特定计算任务中终于达到了其对手经典计算机难以达到的性能水平。

这是我们第一次在IBM看到一条通向实用量子计算机的道路，我们可以开始想象未来的计算会是什么样的。我们并不期待量子计算会取代经典计算。相反，量子计算机和经典计算机可以合作，共同实现仅靠一方无法实现的计算。全球多个超级计算机设施已经在计划将量子计算硬件纳入其系统，包括德国的Jupiter、日本的富岳，以及波兰的波兹南超级计算和网络中心（PSNC）。虽然这一愿景之前曾被称为“量子-经典混合计算”，也可能有其他名称，但我们将称之为“以量子为中心的超级计算”。

我们关于以量子为中心的超级计算机的愿景核心是量子硬件，我们称之为“量子处理单元”（QPU）。量子处理单元之所以在某些任务中比经典处理单元表现得更好，其根源在于一个完全不同的操作原理，一个根植于量子力学物理的操作原理。

在标准或者经典计算模型中，我们可以将所有信息简化为二进制数字字符串，即比特（bit），它们的值可以是0或1。我们可以使用简单的逻辑门（如与门、或门、非门、与非门）来处理这些信息，将其一次作用于一个或两个比特。经典计算机的“状态”由所有比特的状态决定。因此，如果你有N个比特，那么计算机可以处于2N种状态中的一种。

不过，量子计算机在计算过程中可以访问更丰富的状态集。量子计算机也有比特，但与0和1不同，它的量子比特（qubit）通过一种称为“叠加”的量子特性来表示为0、1或二者的线性组合。数字计算机只能处于2N种状态之一，而量子计算机在计算过程中可以同时处于许多逻辑状态。而且，不同量子比特的叠加态可以通过“纠缠”这种量子特性以一种基本方式相互关联。在计算结束时，根据量子算法运行过程中生成的概率选择，量子比特只会呈现一种状态。

现在并没有明显的证据表明这种计算范式是如何超越经典计算的。但1994年，麻省理工学院的数学家彼得•肖尔（Peter Shor）发现了一种算法，利用量子计算范式，它将大数分解为质因数的速度指数级快于最好的经典算法。两年后，洛夫•格罗弗（Lov Grover）发现了一种能够比经典算法更快地在数据库中找到特定条目的量子算法。

也许最重要的是，由于量子计算机遵循的是量子力学定律，它们才是模拟我们世界中基本量子现象（如用于药物开发或材料设计的分子间相互作用）的理想工具。

在打造以量子为中心的超级计算机之前，我们必须确保它能够做一些有用的事。要构建一个足够强大的量子处理单元，需要打造能够重现反直觉量子行为的硬件。

在IBM，量子计算的基本构建块——量子比特——由超导元件构成。每个物理量子比特由两块超导板组成，与名为约瑟夫森结的元件相连。超导板充当电容器，约瑟夫森结充当一种特殊的无损、非线性电感器。

流经约瑟夫森结的电流被量子化，即固定为离散值。约瑟夫森结可确保其中只有两个值（或它们的叠加）是实际可访问的。量子比特被编码为两个电流电平，一个代表0，另一个代表1。但如前所述，量子比特也可以存在于0和1状态的叠加。

由于超导体需要低温来维持超导性，量子比特及其部分控制电路会被放置在一个叫作“稀释制冷机”的特殊液氦制冷机中。

我们会通过量子指令（通常称为“门”）来改变量子比特的状态和耦合量子比特。这些指令是一系列特殊设计的微波波形。一个量子处理单元包括所有负责接收一组量子指令（称为量子电路）并返回一个由二进制字符串表示的单一输出的硬件。量子处理单元涵盖了量子比特和信号放大元件、控制电子器件以及执行各种任务（诸如在内存中保存指令、积累和分离信号与噪声，以及生成单一的二进制输出等）所需的经典计算。我们可将量子比特、读数共振器、输出滤波器和量子总线等元件蚀刻到硅芯片上的超导层中。

不过，要将量子比特控制在超敏感的量子水平确实是一项挑战。外部噪声、电子器件产生的噪声和不同量子比特之间控制信号的串扰都会破坏量子比特脆弱的量子特性。要实现我们设想的有用的、以量子为中心的超级计算机，控制这些噪声源至关重要。

到目前为止，还没有人明确展示过量子优势，即量子计算机在执行现实世界相关任务上超越了最好的经典计算机。展示真正的量子优势将标志着一个新的计算时代的到来，以前棘手的任务将迎刃而解。

在我们实现这一宏伟蓝图之前，我们需要先降低目标，关注量子实用性。量子实用性是指量子硬件超越量子电路暴力经典计算的能力，也就是指量子硬件在进行量子计算时优于传统计算机的能力。

虽然这可能听起来并不特别，但却是实现量子优势的必要一步。近年来，量子界终于走到了这个门槛。2023年，我们成功展示了量子处理单元的量子实用性，这让我们相信，我们的量子硬件已经足够先进，可以集成到以量子为中心的超级计算机中了。这一里程碑的实现是包括硬件和算法改进在内的多项进步共同作用的结果。

自2019年以来，我们一直在结合半导体制造方面的技术进步，致力于将3D集成技术引入我们的芯片。我们也因此得以从位于量子比特平面下方的控制芯片访问量子比特，从而减少了芯片上的布线，这些布线是潜在的噪声源。此外，我们还引入了读数复用技术，从而能够通过一根线访问多个量子比特的信息，大大减少了需要放置在稀释制冷机中的硬件数量。

2023年，我们使用了名为“可调耦合器”的组件，对硬件实施了一种新方法来执行量子门，即改变量子比特值的程序步骤。以前，我们是通过制造响应不同频率的量子比特来防止串扰的，这样可使它们不对其他量子比特的微波脉冲做出反应。但这导致了量子比特之间进行必要通信非常困难，也降低了处理器的速度。有了可调耦合器，我们不再需要针对特定频率制造量子比特。相反，我们引入了一种“开关”，利用磁场来决定两个量子比特之间是否应该通信。结果就是，我们几乎消除了量子比特之间的串扰错误，从而得以更快、更可靠地运行量子门。

随着硬件的改进，我们还证实可以使用错误缓解算法处理一些噪声。错误缓解可以通过多种方式完成。在我们的案例中，我们会运行量子程序，分析系统中的噪声对程序输出的影响，然后建立一个噪声模型。接下来，可以使用经典计算和我们的噪声模型来还原无噪声结果。因此，我们的量子计算机的硬件和软件环境包括能够执行错误缓解、抑制，以及未来进行纠错的经典计算。

除了不断完善硬件之外，我们还与加州大学伯克利分校合作，在2023年证明，我们的127量子比特量子芯片Eagle的电路运行能力超越了暴力经典模拟（即经典计算机为运行电路而精确模拟量子计算机的方法）的能力，实现了量子实用性。之所以这样做，是为了解决一个真正的凝聚态物理问题，即为一个与我们处理器的量子比特布局结构类似的简化原子系统计算一个名为“磁化”的属性值。

我们能够证明，在不利用量子纠错这一量子计算理论中最强大领域的情况下，我们的量子硬件能力超越了暴力经典模拟的能力。

错误缓解是在计算之后处理噪声问题，量子纠错则与之不同，它可以在计算过程中出现噪声时便消除噪声。而且它可以处理的噪声类型更广，不需要先确定特定的噪声模型。此外，错误缓解的扩展能力会随着量子电路变复杂而受到限制，但纠错仍可在大范围内有效工作。

不过，量子纠错的代价也很大，它需要更多量子比特、连接和量子门。每一个要计算的量子比特可能需要更多的量子比特来纠错。凭借在硬件改进和寻找更好的纠错代码方面取得的最新进展，我们可以畅想一种经过纠错、不辜负这番努力的超级计算机。

量子纠错方案比传统二进制计算机的纠错更复杂。要让这些量子方案要发挥作用，硬件错误率必须低于某个阈值。自量子纠错诞生以来，理论学家们设计出了具有更宽松阈值的新代码，而量子计算机工程师则开发了性能更好的系统。但迄今为止，还没有能够利用纠错来执行大规模计算的量子计算机。

同时，纠错理论也在不断发展。受莫斯科国立大学物理学家帕维尔•潘特列耶夫（Pavel Panteleev）和格列布•卡拉切夫（Gleb Kalachev）一项有前景的发现的启发，我们决定为该系统寻找一种新型纠错代码。他们在2021年发表的论文中证明，“好代码”在理论上是存在的，这些代码为执行纠错所需的额外量子比特在数量上更有利。

这导致了对一种名为“量子低密度奇偶校验码”（qLDPC码）的代码族的研究出现了爆炸性增长。2024年初，我们团队发布了一种qLDPC码，其错误阈值高到我们足以在近期的量子计算机上实现它；它所需的量子比特之间的连接量仅略高于现有硬件可提供的连接量。这种代码仅需以往方法所需量子比特数量的十分之一，便能实现相同水平的纠错。

有了这些理论进步，我们可以畅想一种在实验可及规模上经过纠错的量子计算机，前提是我们可以将足够的量子处理能力连接在一起，并尽可能地利用经典计算。

要利用纠错，并达到足够大的规模来利用量子计算机解决与人类相关的问题，我们需要构建更大的量子处理单元，或者将多个量子处理单元连接在一起。我们还需要将经典计算与量子系统结合起来。

2023年，我们推出了一款名为IBM 量子系统二号的机器，我们可以用它开始在可扩展的量子计算系统中对错误缓解和纠错进行原型开发。IBM量子系统二号依赖于更大的模块化低温恒温器，因此我们可以借助短距离互连将多个量子处理器放入同一台制冷机中，然后将多台制冷机组合成一个更大的系统，这有点像在传统超级计算机中增加更多机架。

IBM量子系统二号发布时，我们还详细介绍了实现愿景的十年计划。路线图中的大部分早期硬件工作都与互连有关。目前，我们仍在开发将量子芯片连接成更大芯片（类似乐高积木）的互连，我们称之为m-耦合器，并且还在开发在距离较远的芯片之间传输量子信息的互连，称为l-耦合器。我们希望在今年年底之前制造出m-耦合器和l-耦合器的原型。此外，根据我们新开发的纠错代码的要求，我们还在开发能够连接同一芯片上距离较远（非相邻）的量子比特的片上耦合器。我们计划在2026年年底之前交付这种片上耦合器。同时，我们将改进错误缓解技术，以便在2028年前跨7块并行量子芯片运行一个量子程序，其中每块芯片能够在错误出现之前在156个量子比特上准确执行多达1.5万次门操作。

我们也在继续推进纠错工作。我们的理论学家一直在寻找通过更少额外量子比特、更高错误阈值来实现更强纠错能力的代码。我们还必须确定最佳方法，以便操作编码到纠错代码中的信息，然后实时解码这些信息。我们希望在2028年年底之前展示这些成果。这样我们就可以在2029年推出第一款集成了错误缓解和纠错的量子计算机：能够在200个量子比特上执行高达1亿次门操作，直至出现错误。2033年，随着纠错技术的进一步发展，我们将能够在2000个量子比特上运行10亿次门操作。

虽然错误缓解和纠错可清除通往全尺寸量子计算道路上的一个主要障碍，但我们认为，这不足以解决最大、最有价值的问题。因此，我们还引入了一种新的算法运行方式，其中结合了多个量子电路和分布式经典计算，将形成以量子为中心的超级计算机。

许多人认为“量子计算机”是单一的量子处理单元，可独自运行程序，并在数百万个物理量子比特上执行数十亿次操作。相反，我们设想的是包含多个量子处理单元的计算机，与分布式经典计算机并行运行量子电路。

最近的工作展示了将经典计算与量子处理结合使用以更高效地运行量子电路的技术。这些技术被称为“电路编织”（circuit knitting），可将单一的量子计算问题分解为多个量子计算问题，然后在量子处理器上并行运行。之后，量子计算机和经典计算机会结合电路结果，形成最终答案。

另一项技术则会使用经典计算机来运行除核心的、内在量子部分之外的所有计算。我们相信，正是这最后一个愿景将首先实现量子优势。

因此，量子计算机不仅包括一个量子处理器、控制电子器件和稀释制冷机，还包括执行纠错和错误缓解所需的经典处理。

虽然我们尚未制造出全面集成、以量子为中心的超级计算机，但我们正在通过IBM量子系统二号和Qiskit（我们的全栈量子计算软件，用于运行大规模量子工作负载）来奠定基础。我们正在打造能够管理电路编织并在需要时提供适当计算资源的中间设备。下一步，我们将推动硬件和软件基础设施发展成熟，使量子计算和经典计算能够相互扩展，完成超越各自能力的任务。

今天的量子计算机已成为一种科学工具，能够运行超越暴力经典模拟能力的程序，至少在模拟某些量子系统时是这样。但是，我们必须继续完善量子和经典基础设施，使二者的结合能够加快速度解决与人类相关的问题。因此，我们希望更广泛的计算界能够继续研究综合了电路编织、并行量子电路和错误缓解的新算法，从而找到可以在短期内从量子论获益的用例。

我们期待有一天，全球500强超级计算机名单中会出现以量子处理器为核心的机器。