IBM豪賭以量子為中心的超級計算機

IBM豪賭以量子為中心的超級計算機

　　2022年6月，美國橡樹嶺國家實驗室發布了Frontier，這是全球最強大的超級計算機，每秒可執行百億億次計算。然而，即使是Frontier也可能永遠無法在合理的時間內解決某些計算問題。

　　其中一些問題就像將一個大數分解為質數一樣簡單。還有一些則是當今全球面臨的最重要的問題之一，比如對複雜分子快速建模以開發治療新疾病的藥物，或者開發用於碳捕獲或電池的更高效的材料。

　　不過，未來十年裡，預計將會出現一種與以往任何形式都不同的全新超級計算範式。它不僅有可能解決這些問題，而且我們還希望它能以更低的成本、更少的佔用空間、更短的時間和更少的能源來做到這一點。這種超級計算新範式將包含一種全新的計算架構，模擬原子級物質的奇異行為——量子計算。

　　幾十年來，量子計算機一直難以達到商業可行水平。驅動這些計算機的量子行為對環境雜訊極為敏感，並且難以擴展到足夠大的機器上來完成有用的計算。然而，過去10年取得了幾項重要進展，包括硬體的完善和雜訊處理的理論性進步。這些進步使量子計算機至少在某些特定計算任務中終於達到了其對手經典計算機難以達到的性能水平。

　　這是我們第一次在IBM看到一條通向實用量子計算機的道路，我們可以開始想象未來的計算會是什麼樣的。我們並不期待量子計算會取代經典計算。相反，量子計算機和經典計算機可以合作，共同實現僅靠一方無法實現的計算。全球多個超級計算機設施已經在計劃將量子計算硬體納入其系統，包括德國的Jupiter、日本的富岳，以及波蘭的波茲南超級計算和網路中心（PSNC）。雖然這一願景之前曾被稱為「量子-經典混合計算」，也可能有其他名稱，但我們將稱之為「以量子為中心的超級計算」。

　　我們關於以量子為中心的超級計算機的願景核心是量子硬體，我們稱之為「量子處理單元」（QPU）。量子處理單元之所以在某些任務中比經典處理單元表現得更好，其根源在於一個完全不同的操作原理，一個根植於量子力學物理的操作原理。

　　在標準或者經典計算模型中，我們可以將所有信息簡化為二進位數字字元串，即比特（bit），它們的值可以是0或1。我們可以使用簡單的邏輯門（如與門、或門、非門、與非門）來處理這些信息，將其一次作用於一個或兩個比特。經典計算機的「狀態」由所有比特的狀態決定。因此，如果你有N個比特，那麼計算機可以處於2N種狀態中的一種。

　　不過，量子計算機在計算過程中可以訪問更豐富的狀態集。量子計算機也有比特，但與0和1不同，它的量子比特（qubit）通過一種稱為「疊加」的量子特性來表示為0、1或二者的線性組合。數字計算機只能處於2N種狀態之一，而量子計算機在計算過程中可以同時處於許多邏輯狀態。而且，不同量子比特的疊加態可以通過「糾纏」這種量子特性以一種基本方式相互關聯。在計算結束時，根據量子演演算法運行過程中生成的概率選擇，量子比特只會呈現一種狀態。

　　現在並沒有明顯的證據表明這種計算範式是如何超越經典計算的。但1994年，麻省理工學院的數學家彼得•肖爾（Peter Shor）發現了一種演演算法，利用量子計算範式，它將大數分解為質因數的速度指數級快於最好的經典演演算法。兩年後，洛夫•格羅弗（Lov Grover）發現了一種能夠比經典演演算法更快地在資料庫中找到特定條目的量子演演算法。

　　也許最重要的是，由於量子計算機遵循的是量子力學定律，它們才是模擬我們世界中基本量子現象（如用於藥物開發或材料設計的分子間相互作用）的理想工具。

　　在打造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。要構建一個足夠強大的量子處理單元，需要打造能夠重現反直覺量子行為的硬體。

　　在IBM，量子計算的基本構建塊——量子比特——由超導元件構成。每個物理量子比特由兩塊超導板組成，與名為約瑟夫森結的元件相連。超導板充當電容器，約瑟夫森結充當一種特殊的無損、非線性電感器。

　　流經約瑟夫森結的電流被量子化，即固定為離散值。約瑟夫森結可確保其中只有兩個值（或它們的疊加）是實際可訪問的。量子比特被編碼為兩個電流電平，一個代表0，另一個代表1。但如前所述，量子比特也可以存在於0和1狀態的疊加。

　　由於超導體需要低溫來維持超導性，量子比特及其部分控制電路會被放置在一個叫作「稀釋製冷機」的特殊液氦製冷機中。

　　我們會通過量子指令（通常稱為「門」）來改變數子比特的狀態和耦合量子比特。這些指令是一系列特殊設計的微波波形。一個量子處理單元包括所有負責接收一組量子指令（稱為量子電路）並返回一個由二進位字元串表示的單一輸出的硬體。量子處理單元涵蓋了量子比特和信號放大元件、控制電子器件以及執行各種任務（諸如在內存中保存指令、積累和分離信號與雜訊，以及生成單一的二進位輸出等）所需的經典計算。我們可將量子比特、讀數共振器、輸出濾波器和量子匯流排等元件蝕刻到硅晶元上的超導層中。

　　不過，要將量子比特控制在超敏感的量子水平確實是一項挑戰。外部雜訊、電子器件產生的雜訊和不同量子比特之間控制信號的串擾都會破壞量子比特脆弱的量子特性。要實現我們設想的有用的、以量子為中心的超級計算機，控制這些雜訊源至關重要。

　　到目前為止，還沒有人明確展示過量子優勢，即量子計算機在執行現實世界相關任務上超越了最好的經典計算機。展示真正的量子優勢將標誌著一個新的計算時代的到來，以前棘手的任務將迎刃而解。

　　在我們實現這一宏偉藍圖之前，我們需要先降低目標，關注量子實用性。量子實用性是指量子硬體超越量子電路暴力經典計算的能力，也就是指量子硬體在進行量子計算時優於傳統計算機的能力。

　　雖然這可能聽起來並不特別，但卻是實現量子優勢的必要一步。近年來，量子界終於走到了這個門檻。2023年，我們成功展示了量子處理單元的量子實用性，這讓我們相信，我們的量子硬體已經足夠先進，可以集成到以量子為中心的超級計算機中了。這一里程碑的實現是包括硬體和演演算法改進在內的多項進步共同作用的結果。

　　自2019年以來，我們一直在結合半導體製造方面的技術進步，致力於將3D集成技術引入我們的晶元。我們也因此得以從位於量子比特平面下方的控制晶元訪問量子比特，從而減少了晶元上的布線，這些布線是潛在的雜訊源。此外，我們還引入了讀數復用技術，從而能夠通過一根線訪問多個量子比特的信息，大大減少了需要放置在稀釋製冷機中的硬體數量。

　　2023年，我們使用了名為「可調耦合器」的組件，對硬體實施了一種新方法來執行量子門，即改變數子比特值的程序步驟。以前，我們是通過製造響應不同頻率的量子比特來防止串擾的，這樣可使它們不對其他量子比特的微波脈衝做出反應。但這導致了量子比特之間進行必要通信非常困難，也降低了處理器的速度。有了可調耦合器，我們不再需要針對特定頻率製造量子比特。相反，我們引入了一種「開關」，利用磁場來決定兩個量子比特之間是否應該通信。結果就是，我們幾乎消除了量子比特之間的串擾錯誤，從而得以更快、更可靠地運行量子門。

　　隨著硬體的改進，我們還證實可以使用錯誤緩解演演算法處理一些雜訊。錯誤緩解可以通過多種方式完成。在我們的案例中，我們會運行量子程序，分析系統中的雜訊對程序輸出的影響，然後建立一個雜訊模型。接下來，可以使用經典計算和我們的雜訊模型來還原無雜訊結果。因此，我們的量子計算機的硬體和軟體環境包括能夠執行錯誤緩解、抑制，以及未來進行糾錯的經典計算。

　　除了不斷完善硬體之外，我們還與加州大學伯克利分校合作，在2023年證明，我們的127量子比特量子晶元Eagle的電路運行能力超越了暴力經典模擬（即經典計算機為運行電路而精確模擬量子計算機的方法）的能力，實現了量子實用性。之所以這樣做，是為了解決一個真正的凝聚態物理問題，即為一個與我們處理器的量子比特布局結構類似的簡化原子系統計算一個名為「磁化」的屬性值。

　　我們能夠證明，在不利用量子糾錯這一量子計算理論中最強大領域的情況下，我們的量子硬體能力超越了暴力經典模擬的能力。

　　錯誤緩解是在計算之後處理雜訊問題，量子糾錯則與之不同，它可以在計算過程中出現雜訊時便消除雜訊。而且它可以處理的雜訊類型更廣，不需要先確定特定的雜訊模型。此外，錯誤緩解的擴展能力會隨著量子電路變複雜而受到限制，但糾錯仍可在大範圍內有效工作。

　　不過，量子糾錯的代價也很大，它需要更多量子比特、連接和量子門。每一個要計算的量子比特可能需要更多的量子比特來糾錯。憑藉在硬體改進和尋找更好的糾錯代碼方面取得的最新進展，我們可以暢想一種經過糾錯、不辜負這番努力的超級計算機。

　　量子糾錯方案比傳統二進位計算機的糾錯更複雜。要讓這些量子方案要發揮作用，硬體錯誤率必須低於某個閾值。自量子糾錯誕生以來，理論學家們設計出了具有更寬鬆閾值的新代碼，而量子計算機工程師則開發了性能更好的系統。但迄今為止，還沒有能夠利用糾錯來執行大規模計算的量子計算機。

　　同時，糾錯理論也在不斷發展。受莫斯科國立大學物理學家帕維爾•潘特列耶夫（Pavel Panteleev）和格列布•卡拉切夫（Gleb Kalachev）一項有前景的發現的啟發，我們決定為該系統尋找一種新型糾錯代碼。他們在2021年發表的論文中證明，「好代碼」在理論上是存在的，這些代碼為執行糾錯所需的額外量子比特在數量上更有利。

　　這導致了對一種名為「量子低密度奇偶校驗碼」（qLDPC碼）的代碼族的研究出現了爆炸性增長。2024年初，我們團隊發布了一種qLDPC碼，其錯誤閾值高到我們足以在近期的量子計算機上實現它；它所需的量子比特之間的連接量僅略高於現有硬體可提供的連接量。這種代碼僅需以往方法所需量子比特數量的十分之一，便能實現相同水平的糾錯。

　　有了這些理論進步，我們可以暢想一種在實驗可及規模上經過糾錯的量子計算機，前提是我們可以將足夠的量子處理能力連接在一起，並儘可能地利用經典計算。

　　要利用糾錯，並達到足夠大的規模來利用量子計算機解決與人類相關的問題，我們需要構建更大的量子處理單元，或者將多個量子處理單元連接在一起。我們還需要將經典計算與量子系統結合起來。

　　2023年，我們推出了一款名為IBM 量子系統二號的機器，我們可以用它開始在可擴展的量子計算系統中對錯誤緩解和糾錯進行原型開發。IBM量子系統二號依賴於更大的模塊化低溫恆溫器，因此我們可以藉助短距離互連將多個量子處理器放入同一台製冷機中，然後將多台製冷機組合成一個更大的系統，這有點像在傳統超級計算機中增加更多機架。

　　IBM量子系統二號發布時，我們還詳細介紹了實現願景的十年計劃。路線圖中的大部分早期硬體工作都與互連有關。目前，我們仍在開發將量子晶元連接成更大晶元（類似樂高積木）的互連，我們稱之為m-耦合器，並且還在開發在距離較遠的晶元之間傳輸量子信息的互連，稱為l-耦合器。我們希望在今年年底之前製造出m-耦合器和l-耦合器的原型。此外，根據我們新開發的糾錯代碼的要求，我們還在開發能夠連接同一晶元上距離較遠（非相鄰）的量子比特的片上耦合器。我們計劃在2026年年底之前交付這種片上耦合器。同時，我們將改進錯誤緩解技術，以便在2028年前跨7塊并行量子晶元運行一個量子程序，其中每塊晶元能夠在錯誤出現之前在156個量子比特上準確執行多達1.5萬次門操作。

　　我們也在繼續推進糾錯工作。我們的理論學家一直在尋找通過更少額外量子比特、更高錯誤閾值來實現更強糾錯能力的代碼。我們還必須確定最佳方法，以便操作編碼到糾錯代碼中的信息，然後實時解碼這些信息。我們希望在2028年年底之前展示這些成果。這樣我們就可以在2029年推出第一款集成了錯誤緩解和糾錯的量子計算機：能夠在200個量子比特上執行高達1億次門操作，直至出現錯誤。2033年，隨著糾錯技術的進一步發展，我們將能夠在2000個量子比特上運行10億次門操作。

　　雖然錯誤緩解和糾錯可清除通往全尺寸量子計算道路上的一個主要障礙，但我們認為，這不足以解決最大、最有價值的問題。因此，我們還引入了一種新的演演算法運行方式，其中結合了多個量子電路和分散式經典計算，將形成以量子為中心的超級計算機。

　　許多人認為「量子計算機」是單一的量子處理單元，可獨自運行程序，並在數百萬個物理量子比特上執行數十億次操作。相反，我們設想的是包含多個量子處理單元的計算機，與分散式經典計算機并行運行量子電路。

　　最近的工作展示了將經典計算與量子處理結合使用以更高效地運行量子電路的技術。這些技術被稱為「電路編織」（circuit knitting），可將單一的量子計算問題分解為多個量子計算問題，然後在量子處理器上并行運行。之後，量子計算機和經典計算機會結合電路結果，形成最終答案。

　　另一項技術則會使用經典計算機來運行除核心的、內在量子部分之外的所有計算。我們相信，正是這最後一個願景將首先實現量子優勢。

　　因此，量子計算機不僅包括一個量子處理器、控制電子器件和稀釋製冷機，還包括執行糾錯和錯誤緩解所需的經典處理。

　　雖然我們尚未製造出全面集成、以量子為中心的超級計算機，但我們正在通過IBM量子系統二號和Qiskit（我們的全棧量子計算軟體，用於運行大規模量子工作負載）來奠定基礎。我們正在打造能夠管理電路編織並在需要時提供適當計算資源的中間設備。下一步，我們將推動硬體和軟體基礎設施發展成熟，使量子計算和經典計算能夠相互擴展，完成超越各自能力的任務。

　　今天的量子計算機已成為一種科學工具，能夠運行超越暴力經典模擬能力的程序，至少在模擬某些量子系統時是這樣。但是，我們必須繼續完善量子和經典基礎設施，使二者的結合能夠加快速度解決與人類相關的問題。因此，我們希望更廣泛的計算界能夠繼續研究綜合了電路編織、并行量子電路和錯誤緩解的新演演算法，從而找到可以在短期內從量子論獲益的用例。

　　我們期待有一天，全球500強超級計算機名單中會出現以量子處理器為核心的機器。

　　作者：Ryan Mandelbaum、Antonio D. Córcoles、Jay Gambetta