本文來自騰訊研究院，作者/劉莫閑。
IBM發(fā)布
全球最強(qiáng)量子計(jì)算路線圖
2022年5月，全球量子計(jì)算領(lǐng)軍企業(yè)-IBM發(fā)布了他們最新的量子計(jì)算路線圖，引起了全球量子計(jì)算行業(yè)的高度關(guān)注，堪稱“最強(qiáng)量子計(jì)算路線圖”[圖1]。在最新的路線圖中，IBM不僅計(jì)劃消除擴(kuò)展量子硬件的一些最大障礙，而且目標(biāo)開發(fā)能夠?qū)⒘孔蛹傻接?jì)算機(jī)工作流程中的工具和技術(shù)。
圖1：IBM量子計(jì)算最新路線圖
該路線圖是其兩年前發(fā)布的量子技術(shù)規(guī)模擴(kuò)展路線圖的升級版。兩年前的路線圖中[圖2]，IBM把主要目標(biāo)集中在單個量子芯片的量子比特（以下簡稱qubit）容量擴(kuò)展方面，計(jì)劃將容量從2019年的27 qubits提升至2023年的1121 qubits。
圖2：IBM于2020年9月16日發(fā)布的
量子技術(shù)規(guī)模擴(kuò)展路線圖
而最新的路線圖中，IBM在三個方面進(jìn)行了增量發(fā)布：
處理器方面，增加4款多核QPU的目標(biāo)計(jì)劃：在已發(fā)布的5款處理器-Falcon（27 qubits）、Hummingbird（65 qubits）、Eagle（127 qubits）、Osprey（433 qubits）和Condor（1121qubits）-基礎(chǔ)上，引入了用于多芯片模組的新架構(gòu)處理器方案，并基于該方案增加了4款新的處理器研發(fā)目標(biāo)，并計(jì)在2023-2025年陸續(xù)推出：133 qubits特處理器（Heron）將在2023年推出，408 qubits處理器（Crossbill）和462量qubits處理器（Flamingo）將在2024年推出，并在2025年推出包含4158量子比特的Kookaburra處理器；
量子比特容量方面，制定“萬級”量子比特擴(kuò)容目標(biāo)：計(jì)劃在2026年以后，通過經(jīng)典計(jì)算與量子計(jì)算的通信實(shí)現(xiàn)1萬到10萬量子比特容量；
應(yīng)用支撐方面，將初步構(gòu)建量子計(jì)算應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境：內(nèi)核方面，升級量子計(jì)算運(yùn)行環(huán)境Qiskit Runtime，增加動態(tài)電路、采樣器和評估器、多線程運(yùn)行環(huán)境、錯誤抑制與緩解等功能目標(biāo)；算法方面，增加量子無服務(wù)器設(shè)施建設(shè)目標(biāo)，提高軟件編排效率；模型方面，支持真正意義的量子軟件應(yīng)用。
新路線的公布著實(shí)讓業(yè)內(nèi)人士為之贊嘆，不僅在于目標(biāo)的清晰，也在于IBM在新路線圖中所展現(xiàn)的，對于攻克這個具有超高難度“硬核科技”的腳踏實(shí)地與深思熟慮：
雖然業(yè)內(nèi)多個企業(yè)陸續(xù)公布了幾年內(nèi)達(dá)成數(shù)千個量子比特容量的目標(biāo)，但是IBM的實(shí)現(xiàn)思路是最清晰和具體的，也是最嚴(yán)謹(jǐn)可行的，比如多芯片架構(gòu)方案就是在超導(dǎo)量子技術(shù)路線上相對更可行的實(shí)現(xiàn)路徑；
另一方面，IBM為上層軟件開發(fā)者提供了相對完善的開發(fā)工具和運(yùn)行環(huán)境，充分發(fā)揮了軟硬協(xié)同的優(yōu)勢，更是明確的提出會采用“機(jī)器學(xué)習(xí)”作為第一個測試用例，給量子算法以及行業(yè)應(yīng)用軟件開發(fā)者以更加清晰的指引。
正如福布斯雜志評價IBM的新路線圖是“宏圖大業(yè)”，并評論道：“一旦IBM的路線圖得以實(shí)施落地，它將改變量子計(jì)算的范式。”
IBM計(jì)劃構(gòu)建“以量子計(jì)算”
為中心的下一代超級計(jì)算機(jī)
自公開發(fā)布投入量子計(jì)算領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃后的幾年里，IBM一直在按計(jì)劃執(zhí)行并如期交付既定目標(biāo)。IBM在量子計(jì)算研發(fā)道路上的堅(jiān)定的思路和準(zhǔn)確的執(zhí)行，令世界矚目：2019-2021年間，按計(jì)劃完成Falcon（27 qubits）、Hummingbird（65 qubits）和Eagle（127 qubits）三款芯片的研發(fā)，并陸續(xù)交付使用；IBM Q Network自2017年12月成立以來，已經(jīng)擁有180多個成員，包括20多個區(qū)域中心、10多個行業(yè)聯(lián)合開發(fā)伙伴，40多家初創(chuàng)公司和30多名學(xué)術(shù)研究人員；根據(jù)The Quantum Insider的最新調(diào)研結(jié)果，截止2022年5月，IBM在大約786項(xiàng)量子研究成果中被提及，在全球引領(lǐng)量子計(jì)算研究的前18家機(jī)構(gòu)中排名第1位。
圖3：IBM Q量子計(jì)算機(jī)和IBM Quantum System 2量子計(jì)算系統(tǒng)
作為IT時代的老牌計(jì)算機(jī)開發(fā)商，IBM不僅在考慮量子計(jì)算機(jī)，而是在試圖引發(fā)整個計(jì)算范式的轉(zhuǎn)變。多年來，以CPU為中心的超級計(jì)算機(jī)（簡稱超算，英文名稱Supercomputer）為社會的算力助力。在過去幾年里，以人工智能為中心的超算出現(xiàn)，CPU和GPU在巨型系統(tǒng)中協(xié)同工作，以解決繁重的人工智能工作負(fù)載?，F(xiàn)在，IBM在量子計(jì)算新路線圖發(fā)布之際，進(jìn)一步明確了他們在下一代超算上的愿景-“迎來以量子為中心的超級計(jì)算機(jī)時代”，將量子計(jì)算單元QPU與CPU和GPU一起編織成一個新的計(jì)算架構(gòu)，用以解決最棘手的問題、進(jìn)行最具突破性研究以及開發(fā)最尖端技術(shù)。IBM這樣形容這個未來所帶來的巨變：
“這個巨變將相當(dāng)于用GPS衛(wèi)星取代紙質(zhì)地圖”。[圖4]
圖4：GPS定位服務(wù)-不止是在屏幕上看地圖
讀到這里，你的頭腦里可能會涌現(xiàn)很多疑問，比如：
超級計(jì)算機(jī)是是什么？
量子計(jì)算機(jī)與常規(guī)的超級計(jì)算機(jī)相比，有什么優(yōu)勢呢？
為什么IBM會以量子計(jì)算作為下一代超級計(jì)算機(jī)的核心呢？
超級計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展會有什么值得關(guān)注的動向呢？
文章的后半段會一一幫你解答。
超級計(jì)算機(jī)的峰值算力
性能已達(dá)EFlops級別
高性能計(jì)算（High Performance Computing，簡稱HPC），指使用大量處理器單元或者某一個集群中的多臺計(jì)算機(jī)來完成復(fù)雜、海量計(jì)算任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和環(huán)境。而超級計(jì)算機(jī)，是高性能計(jì)算領(lǐng)域的核心硬件形態(tài)，代表了HPC行業(yè)發(fā)展的主線，所以高性能計(jì)算、HPC和超級計(jì)算機(jī)這幾個名詞也經(jīng)常被認(rèn)為是同義詞來使用。
HPC是計(jì)算機(jī)技術(shù)的源頭之一，自圖靈發(fā)明的第一臺破解軍事密碼的超級計(jì)算機(jī)“圖靈機(jī)”開始，到現(xiàn)在如“Hadoop”等很多并行計(jì)算技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)均脫胎于HPC。HPC也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程的“皇冠”，在多種學(xué)科領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用：生命科學(xué)，地球科學(xué)，地理學(xué)，氣象學(xué)，生物制藥，基因測序，圖像處理等等。
一直以來，從核爆炸模擬、油藏模擬，到極端天氣預(yù)報等，高性能計(jì)算始終守護(hù)著國家的安全和安寧，甚至成為衡量一個國家綜合實(shí)力的基準(zhǔn)之一，與航天技術(shù)、航母制造等尖端技術(shù)一樣，被視為是國家實(shí)力的象征。
全球各大國和地區(qū)均投入巨資研發(fā)高性能計(jì)算機(jī)，并在持續(xù)建立超算中心，部署眾多知名超級計(jì)算機(jī)[圖5]，如：美國“深藍(lán)”、“Waston”和“Frontier”，日本的“富岳”，芬蘭的“LUMI”，還有中國的“曙光”、“天河一號”、“天河二號”和“神威·太湖之光”等等。而這些知名超級計(jì)算機(jī)的背后是眾多國際頂尖的計(jì)算機(jī)制造商：IBM，戴爾，HPE，聯(lián)想，浪潮，曙光，Intel，華為，F(xiàn)ujitsu，NEC，等等。
圖5：全球頂級超算：前沿Frontier（美國），富岳（日本），神威·太湖之光（中國）
衡量超級計(jì)算機(jī)性能的主要指標(biāo)之一是“每秒峰值浮點(diǎn)運(yùn)算速度”，又稱“峰值性能”或者“系統(tǒng)峰值”等，單位是Flops，常用的是TFlops（每秒10的12次方次浮點(diǎn)運(yùn)算）。以我國的“天河一號”為例，它在2010年的性能測試中，峰值性能達(dá)到每秒運(yùn)算4700TFlops，也就是4700萬億次。相比而言，一塊2022年新發(fā)布的游戲GPU板卡-NVIDIA GeForce RTX 3090 Ti的峰值性能約為40TFlops，足見算力級別的差異。
今年6月初在德國舉行的國際超算大會ISC 2022，公布了第59屆全球超算“TOP500”榜單[圖6]，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的超算“前沿Frontier”以1.102EFlops（110萬TFlops）的性能峰值位居排行榜第一，位于日本理化學(xué)研究所計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中心的超算“富岳”以442PFlops（44.2萬TFlops）的性能峰值排第二，我國的“神威·太湖之光”和“天河二號”分別以93PFlops和61PFlops排名第6位和第9位。
圖6：第59屆全球超算TOP500前十名的運(yùn)算速度（單位：TFlops）
圖片來自作者[上觀]文章，數(shù)據(jù)來源：TOP500.org
另外據(jù)公開信息報道，今年5月10日英特爾聯(lián)合阿貢國家實(shí)驗(yàn)室也同樣展示了支持超過2EFLops的超算“極光（Aurora）”，我國在研的最新超算神威E級和天河三號也在基準(zhǔn)測試中實(shí)現(xiàn)了EFlops的性能。
量子計(jì)算性能進(jìn)展PK超算，
展示“量子優(yōu)勢”
通過數(shù)字我們可以看到，當(dāng)今HPC超級計(jì)算機(jī)的算力已經(jīng)達(dá)到了極高的程度。然后近年來隨著量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)和快速演進(jìn)，越來越多的量子計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)展都會與超級計(jì)算機(jī)相對比，并且從理論上證明在執(zhí)行特定的計(jì)算任務(wù)時，量子計(jì)算的算力性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“地表最強(qiáng)算力”的超級計(jì)算機(jī)。
2019年9月，谷歌宣布研制出53個量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木（sycamore）”，執(zhí)行一個特定的“隨機(jī)電路采樣問題”計(jì)算任務(wù)只用3分20秒，而同樣的任務(wù)，谷歌團(tuán)隊(duì)估計(jì)即便是目前最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)（如坐落于美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的“頂點(diǎn)（Summit）”超級計(jì)算機(jī)），在經(jīng)過理論優(yōu)化后，完成這項(xiàng)任務(wù)也需要2.5天。
2020年12月，中國科技大學(xué)潘建偉教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表與《science》的一篇論文《Quantum computational advantage using photons》顯示，由該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“九章”光量子計(jì)算機(jī)[圖7]在200秒內(nèi)檢測出43個光子，而當(dāng)時世界第三塊超級計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”完成50個光子的采樣需要2天的時間。
圖7：“九章”光量子計(jì)算機(jī)，圖片來自作者[失落代號]文章
2022年6月22日，加拿大創(chuàng)業(yè)公司Xanadu發(fā)布可編程光量子計(jì)算機(jī)Borealis[圖8]，實(shí)現(xiàn)了216個壓縮態(tài)量子比特（qubit）的容量，在進(jìn)行高斯玻色子采樣（GBS）計(jì)算任務(wù)中，僅使用36微秒便完成了任務(wù)，而當(dāng)今最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)完成同樣的任務(wù)要花費(fèi)超過9000年的時間。這一項(xiàng)研究成就登上了6月的《Nature》期刊，充分展示了“量子優(yōu)勢”，也讓加拿大成為即美國2019年，中國2021年后，第三個宣布“量子優(yōu)越性”的國家。
圖8：Xanadu發(fā)布的光量子計(jì)算機(jī)Borealis的示意圖
據(jù)科學(xué)家估計(jì)，Borealis執(zhí)行高斯玻色子采樣的速度可以超過2021年世界上最快的傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)富岳（Fugaku）的7.8萬億倍。國內(nèi)媒體采訪行業(yè)內(nèi)研究人員稱，Borealis的運(yùn)行時間結(jié)果甚至優(yōu)于中國科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的“九章”量子計(jì)算機(jī)。
上述案例，不僅在一些特定任務(wù)上向經(jīng)典計(jì)算展現(xiàn)了“量子優(yōu)勢”，而且讓高性能計(jì)算行業(yè)更加關(guān)注量子計(jì)算-這個看似離商業(yè)應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)的未來計(jì)算技術(shù)，并在讓越來越多的行業(yè)開始思考并嘗試，探索量子計(jì)算究竟如何給產(chǎn)業(yè)和社會創(chuàng)造價值。而諸如IBM等量子計(jì)算的前驅(qū)企業(yè)和工作者，也在當(dāng)前量子計(jì)算的NISQ時代，思考和實(shí)踐如何利用有限數(shù)量、且?guī)г肼暤牧孔颖忍?，充分發(fā)揮他們強(qiáng)大的算力，來解決現(xiàn)實(shí)中的問題。
充分利用“量子優(yōu)勢”，
超算發(fā)展進(jìn)入“混合系統(tǒng)”時代
在今年6月的一篇名為《Quantum advantage in learning from experiments》文章中，多名量子物理學(xué)家、理論計(jì)算機(jī)科學(xué)家與谷歌團(tuán)隊(duì)聯(lián)合，在谷歌懸鈴木處理器上使用40個量子比特，進(jìn)行了多項(xiàng)人工智能學(xué)習(xí)任務(wù)。相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成相同的任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)了指數(shù)級的優(yōu)勢（量子優(yōu)勢），減少學(xué)習(xí)次數(shù)多達(dá)4個數(shù)量級。而仔細(xì)研讀這篇文章后，我們會進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)兩個更加重要的貢獻(xiàn)：
首先，本輪實(shí)驗(yàn)只是用了谷歌懸鈴木處理器中53個量子位的40個，而且仍然存在出錯。即使是這種并不是非常好的量子系統(tǒng)，它的性能足以產(chǎn)生顯著的優(yōu)勢；
更引人數(shù)目的是，論文在題目和內(nèi)容中主張的，是量子優(yōu)勢（Quantum Advantage）而不是量子霸權(quán)（Quantum Supremacy），兩者之間存在很大的差異：前者用于量子計(jì)算機(jī)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的情況，而后者用于經(jīng)典計(jì)算機(jī)不太可能提供解決方案的情況。具體就本輪實(shí)驗(yàn)來舉例，經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是可以完成這些計(jì)算任務(wù)的，只是需要花更長的時間。這就好像GPU剛剛出現(xiàn)在CPU為中心的超算時代時，很多任務(wù)給到CPU都是可以完成的，只是要比GPU花更長的時間。
這是可以使我們聯(lián)想到：既然CPU和GPU可以組合在一起，在一個系統(tǒng)內(nèi)完成各自擅長的計(jì)算任務(wù)，從而進(jìn)一步完成更加復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，那么為什么不嘗試將QPU和前兩者進(jìn)一步結(jié)合呢？我們可喜的看到，這種部分量子系統(tǒng)，部分經(jīng)典系統(tǒng)的“混合系統(tǒng)”正在被廣泛探索，正在逐步成為超級計(jì)算機(jī)發(fā)展的新形態(tài)。
去年3月，坐落于德國巴伐利亞科學(xué)與人文學(xué)院萊布尼茨超級計(jì)算中心（LRZ）開設(shè)了量子集成中心（QIC）。該中心的一個核心任務(wù)，便是“開發(fā)將量子計(jì)算融入超級計(jì)算的硬件和軟件”。慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、LRZ董事會成員Martin Schulz博士設(shè)想：“將量子集成到超級計(jì)算機(jī)中，以及高性能計(jì)算、人工智能和量子的相互作用，可以提供必要的性能提升。”QIC于11月與芬蘭量子計(jì)算公司IQM達(dá)成合作，開始計(jì)劃將IQM包含20個量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)逐步嵌入超級計(jì)算機(jī)。
今年5月，量子初創(chuàng)公司Pasqal的100+量子比特計(jì)算機(jī)正式加入歐洲高性能計(jì)算中心，在一個名為HPCQS（泛歐混合HPC/量子基礎(chǔ)設(shè)施）的試點(diǎn)項(xiàng)目中開始了為期四年的實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目有“歐洲高性能計(jì)算聯(lián)合項(xiàng)目（EUroHPC JU）”提供支持，預(yù)算1200萬歐元，聯(lián)合6個國家的15個合作伙伴開展，旨在將兩臺100+量子比特量子模擬器集成到兩個現(xiàn)有的歐洲Tier-0超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并為歐洲公共和私人用戶提供云訪問，讓用戶參與協(xié)同設(shè)計(jì)將導(dǎo)致機(jī)器學(xué)習(xí)和科學(xué)模擬中的原型應(yīng)用，采用量子算法來解決微分方程、材料模擬、圖形機(jī)器學(xué)習(xí)問題和優(yōu)化問題。
IBM向著“以量子為中心的超級計(jì)算機(jī)時代”篤定前行著，我們更看到“混合超算系統(tǒng)”正在被全球越來越多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)探索和嘗試，我們有理由期待，有效的利用“量子優(yōu)勢”，將使高性能計(jì)算向一個新的方向發(fā)展。借助既有的超算市場，更期待NISQ時代的量子計(jì)算機(jī)能夠在更多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮它的獨(dú)特價值。
參考文獻(xiàn):
[1]https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap-2025
[2]https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-roadmap
[3]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1733672150450279679&wfr=spider&for=pc
[4]https://www.forbes.com/sites/tiriasresearch/2022/05/09/ibm-expands-access-to-quantum-computing/?sh=aa8c9eb3cf31
[5]https://thequantuminsider.com/2022/05/16/quantum-research/
[6]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1729272243002406781&wfr=spider&for=pc
[7]https://www.top500.org/lists/top500/2022/06/
[8]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18570623
[9]https://www.163.com/dy/article/H8L4S6GR0511838M.html
[10]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x
[11]https://www.xanadu.ai/products/borealis/
[12]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18395041
[13]https://spectrum.ieee.org/photonic-quantum-computer-shows-advantage-over-supercomputer
[14]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7293
[15]https://arstechnica.com/science/2022/06/quantum-computer-succeeds-where-a-classical-algorithm-fails/
[16]https://www.hpcwire.com/2022/06/07/quantum-computers-emerging-as-accelerators-in-hpc/
[17]https://insidehpc.com/2021/03/kick-off-for-the-leibniz-supercomputing-centresw-quantum-integration-centre/
[18]https://www.quantum.lrz.de/bits-of-qubits/detail/bringing-quantum-computing-to-scientists-work
