IBM打破100量子比特QPU限制,在雄心勃勃的路線(xiàn)圖上樹(shù)立里程碑

北京時(shí)間12月15日消息(余予)IBM 在上個(gè)月舉行的2021 年量子峰會(huì)上全面展示了其在量子計(jì)算方面穩(wěn)步發(fā)展的亮點(diǎn),大多數(shù)HPC社區(qū)在SC21上進(jìn)行了討論。在今年實(shí)現(xiàn)的六個(gè)里程碑的支持下,IBM宣布2023年將是其系統(tǒng)提供量子優(yōu)勢(shì)的一年,量子計(jì)算作為高性能計(jì)算( HPC)領(lǐng)域的強(qiáng)大工具,將占據(jù)早期位置。

目前,量子計(jì)算領(lǐng)域取得的進(jìn)展令人印象深刻,其速度之快可能超出了許多觀察者的預(yù)期。在這種情況下,長(zhǎng)期以來(lái),IBM一直在量子計(jì)算領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位,其幾乎深入研究了這一領(lǐng)域的各個(gè)方面、用例以及客戶(hù)/開(kāi)發(fā)人員的參與。當(dāng)然,盡管目前還不清楚在眾多量子比特技術(shù)中哪一種將占上風(fēng),IBM專(zhuān)注于基于半導(dǎo)體的超導(dǎo)量子比特技術(shù)。很可能不會(huì)只有一個(gè)。

去年,IBM制定了詳細(xì)的量子路線(xiàn)圖,其中包含圍繞硬件、軟件和系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的里程碑。在今年的IBM量子峰會(huì)上,IBM研究員兼量子計(jì)算副總裁Jay Gambetta與幾位同事共同提交了一份成績(jī)單,并展望了IBM的未來(lái)計(jì)劃。他強(qiáng)調(diào)了六個(gè)里程碑——尤其是IBM最近推出的127量子比特量子處理器Eagle,以及IBM System Two的計(jì)劃,這是一個(gè)新的完整的基礎(chǔ)設(shè)施,將取代System One。

從很多方面來(lái)說(shuō),IBM 路線(xiàn)圖包含了量子社區(qū)中每個(gè)人所面臨的挑戰(zhàn)和愿望。

雖然容錯(cuò)量子計(jì)算仍然遙不可及,但量子計(jì)算在嘈雜中型量子 (NISQ) 計(jì)算機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用似乎比許多人預(yù)期的要近。我們開(kāi)始看到早期基于量子的應(yīng)用程序的出現(xiàn)——主要圍繞隨機(jī)數(shù)生成。

在深入研究技術(shù)討論之前,值得注意的是,IBM 預(yù)計(jì)商業(yè)格局將如何出現(xiàn)。IBM 與波士頓咨詢(xún)集團(tuán)合作,提出了商業(yè)應(yīng)用程序的粗略路線(xiàn)圖。

“IBM的路線(xiàn)圖不僅僅是具體的,也是雄心勃勃的。”波士頓咨詢(xún)集團(tuán)深度技術(shù)負(fù)責(zé)人兼北美負(fù)責(zé)人Matt Langione 在IBM 峰會(huì)上表示,“我們認(rèn)為IBM今天概述的技術(shù)能力將可能在上述期間為最終用戶(hù)創(chuàng)造30 億美元的價(jià)值。”

以金融服務(wù)中的投資組合優(yōu)化為例。Langione 表示,擴(kuò)大基于經(jīng)典計(jì)算的優(yōu)化器的努力“與非連續(xù)非凸函數(shù),如利率收益率曲線(xiàn)、交易日志、買(mǎi)入閾值和交易成本等問(wèn)題作斗爭(zhēng)”。量子優(yōu)化器可以克服這些挑戰(zhàn),并且“到2024年,通過(guò)集成經(jīng)典資源并內(nèi)置錯(cuò)誤緩解功能的量子運(yùn)行時(shí),以4個(gè)9的極高的保真度將交易策略提高多達(dá)25個(gè)基點(diǎn)。我們相信,這種能力在2025年左右可能會(huì)出現(xiàn)在交易員的工作流程中”他說(shuō)。

他還特別指出了航空航天和汽車(chē)設(shè)計(jì)中用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的網(wǎng)格優(yōu)化器,它們具有類(lèi)似的約束條件。他預(yù)測(cè):“在接下來(lái)的三年里,量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)超越表面尺寸和精度的極限。”

量子計(jì)算并不缺少宏偉的計(jì)劃。IBM認(rèn)為,通過(guò)制定清晰的愿景并實(shí)現(xiàn)其里程碑,它將吸引觀望社區(qū)以及量子社區(qū)內(nèi)的更廣泛的支持。以下是Gambetta及其同事對(duì)六個(gè)主題的簡(jiǎn)要總結(jié)。

1. 打破100量子比特的壁壘

隨著2019年Falcon處理器的推出,IBM開(kāi)始正式統(tǒng)計(jì)其當(dāng)前的量子處理器產(chǎn)品組合;它引入了IBM的重六邊形量子位布局,并具有27個(gè)量子位。從那以后,IBM一直在改進(jìn)這種設(shè)計(jì)。“Hummingbird”量子處理器于2020年首次亮相,擁有65個(gè)量子位。“Eagle”近日在其2021年峰會(huì)上推出,擁有127 個(gè)量子位。每個(gè)新處理器的量子比特?cái)?shù)大約增加了一倍。接下來(lái),IBM計(jì)劃在2022年推出具有433個(gè)量子位的“Osprey” 。

IBM 量子硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Jerry Chow 表示,“對(duì)于Falcon,我們面臨的挑戰(zhàn)是可靠的產(chǎn)量。我們通過(guò)新穎的約瑟夫森結(jié)調(diào)諧過(guò)程與我們減少碰撞的重六邊形晶格相結(jié)合來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。通過(guò)Hummingbird,我們實(shí)現(xiàn)了大比例復(fù)用讀出,使我們能夠?qū)⒘孔游粻顟B(tài)讀出所需的總低溫基礎(chǔ)設(shè)施降低8倍。這減少了所需的原始組件數(shù)量。”

“Eagle是作為擴(kuò)大我們進(jìn)行設(shè)備封裝方式的需求而誕生,以便我們能夠以更有效的方式將信號(hào)傳輸?shù)匠瑢?dǎo)量子位。我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的工作在很大程度上依賴(lài)于IBM在CMOS技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際上是兩個(gè)芯片。”

對(duì)于Eagle來(lái)說(shuō),“約瑟夫森結(jié)基座(量子位)位于一個(gè)芯片上,該芯片通過(guò)凸點(diǎn)鍵合連接到一個(gè)單獨(dú)的中介層芯片。該內(nèi)插器芯片通過(guò)在整個(gè)CMOS 世界中通用的封裝技術(shù)提供與量子位的連接。其中包括基板通孔和掩埋布線(xiàn)層之類(lèi)的東西,這對(duì)這項(xiàng)技術(shù)來(lái)說(shuō)是全新的。掩埋層的存在為信號(hào)路由和器件布局提供了靈活性。”Chow表示。

在最近的技術(shù)分析師會(huì)議上,IBM量子硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示,“我可以肯定地說(shuō),這是有史以來(lái)最先進(jìn)的量子計(jì)算芯片,其是世界上首個(gè)超過(guò)100 個(gè)量子位的量子處理器。就此而言,它有127個(gè)量子位排列在我們眾所周知的重六邊形晶格中。讓我強(qiáng)調(diào)一下,它不僅是我們制造的一個(gè)處理器,也是一個(gè)運(yùn)行著量子電路的完整工作系統(tǒng)。”

除此之外,Jerry Chow稱(chēng)Eagle 將在今年年底前廣泛使用,這大概意味著現(xiàn)在。

看看Eagle 的影響,IBM表示,“增加的量子比特?cái)?shù)將允許用戶(hù)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)探索新的復(fù)雜程度的問(wèn)題,例如優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)或建模新的分子和材料,以用于從能源工業(yè)到藥物發(fā)現(xiàn)過(guò)程的各個(gè)領(lǐng)域。‘Eagle’是IBM的第一個(gè)量子處理器,其規(guī)模使得經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法模擬。事實(shí)上,在127 量子比特處理器上表示一種狀態(tài)所需的經(jīng)典位數(shù)量超過(guò)了當(dāng)今75 億人的原子總數(shù)。”

如前所述,Osprey將于明年推出,將擁有433 個(gè)量子比特,Chow 表示,它將推出“下一代可擴(kuò)展的輸入輸出,可以將信號(hào)從室溫傳遞到低溫。”

2.克服門(mén)錯(cuò)誤障礙

測(cè)量量子計(jì)算的質(zhì)量可能很棘手。諸如相干持續(xù)時(shí)間和門(mén)控保真度等關(guān)鍵組件受到系統(tǒng)和環(huán)境噪聲等許多因素的不利影響。克服這些影響是大多數(shù)量子處理器被安裝在大型稀釋冰箱中的原因。IBM開(kāi)發(fā)了一個(gè)基準(zhǔn)指標(biāo),即量子體積 (QV),其中包含各種性能屬性,并且其已經(jīng)在量子社區(qū)中得到了相當(dāng)廣泛的使用。IBM在其某些系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了QV 128?;裟犴f爾(現(xiàn)在的Quantinuum)也報(bào)告稱(chēng)其俘獲離子裝置實(shí)現(xiàn)了QV 128。

在IBM 量子峰會(huì)上,IBM 研究員兼首席量子架構(gòu)師Matthias Steffen 回顧了在延長(zhǎng)相干時(shí)間和提高門(mén)保真度方面的進(jìn)展。

“我們?cè)谛碌腇alcon r8 處理器上取得了突破。我們已經(jīng)成功地將T1 時(shí)間(自旋-晶格弛豫)從大約 0.1 毫秒顯著提高到0.3 毫秒。這一突破不僅限于單片式(良好的成品率)。現(xiàn)在已經(jīng)重復(fù)了幾次。事實(shí)上,我們的一些客戶(hù)可能已經(jīng)注意到最近為IBM Peekskill 顯示的設(shè)備地圖,”Steffen表示。“這只是開(kāi)始。我們已經(jīng)測(cè)試了幾個(gè)研究測(cè)試設(shè)備,現(xiàn)在我們正在測(cè)試接近可靠地跨越 1 毫秒的障礙的0.6 毫秒。”

“今年我們也取得了突破,提高了門(mén)限保真度。您可以看到這些改進(jìn)(下圖)按設(shè)備系列顏色編碼。我們的Falcon r4器件通常實(shí)現(xiàn)接近0.5x10-3的柵極誤差。我們的Falcon r5器件還包括更快的讀數(shù),性能大約好1/3。事實(shí)上,我們最近的許多演示都來(lái)自這個(gè)r5設(shè)備系列。最后,在金色中,您會(huì)看到我們的一些最新測(cè)試設(shè)備,其中包括改進(jìn)了相干時(shí)間的Falcon r8。”

“您還可以看到其他設(shè)備的保真度測(cè)量結(jié)果,包括我們最近開(kāi)發(fā)的Falcon r10,我們?cè)谏厦鏈y(cè)量了一個(gè)雙量子位門(mén),打破了每個(gè)門(mén)平面0.001的誤差。”Steffen表示。

IBM正在鼓吹實(shí)現(xiàn)0.001 門(mén)保真度,這相當(dāng)于每個(gè)錯(cuò)誤超過(guò)1000個(gè)門(mén),達(dá)到3個(gè)9或99.9%的質(zhì)量,這是一個(gè)重要的里程碑。

3.主流Falcon r5

目前,F(xiàn)alcon 架構(gòu)是IBM的主力。正如IBM所解釋的,可訪(fǎng)問(wèn)QPU的產(chǎn)品組合包括核心和探索性芯片:“我們的用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)探索性設(shè)備,但這些設(shè)備并非一直在線(xiàn)。付費(fèi)用戶(hù)可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)核心和探索系統(tǒng)。”

IBM表示有三個(gè)衡量系統(tǒng)性能的指標(biāo)——質(zhì)量、速度和規(guī)模。其中,速度是一個(gè)核心要素,IB將速度定義為電路層每秒操作數(shù) (CLOPS),大致類(lèi)似于經(jīng)典計(jì)算用語(yǔ)中的 FLOPS。測(cè)量速度至關(guān)重要,因?yàn)榭焖?、高質(zhì)量的電路可以在更短的時(shí)間內(nèi)解決復(fù)雜的問(wèn)題。一旦量子體積基準(zhǔn)測(cè)試確定了電路質(zhì)量,隨后就可以編譯電路并在硬件上運(yùn)行以計(jì)算CLOPS。

“這是無(wú)可避免的。”IBM量子理論與應(yīng)用系統(tǒng)總監(jiān)Katie Pizzolato表示,“有用的量子計(jì)算需要運(yùn)行大量電路。大多數(shù)應(yīng)用程序至少需要運(yùn)行十億次。如果我的系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)電路需要5毫秒以上,這很簡(jiǎn)單,運(yùn)行10 億個(gè)電路需要 58 天;這不是有用的量子計(jì)算。”

在最低級(jí)別上,QPU的速度由底層架構(gòu)驅(qū)動(dòng)。“這是我們選擇超導(dǎo)量子比特的原因之一。在這些系統(tǒng)中,我們可以輕松地將量子位與處理器中的諧振器耦合。這為我們提供了快速門(mén)、快速重置和快速讀出速度的基本原理。”Pizzolato表示。

“以Falcon r5處理器為例,這是對(duì)Falcon r4的巨大升級(jí)。在r5中,我們將新組件集成到處理器中,其測(cè)量速率比r4快八倍,且不影響相干性。這使得測(cè)量速率從幾微秒變?yōu)閹装偌{秒。再加上我們?cè)跂艠O時(shí)間上所做的其他改進(jìn),就可以使用Falcon r5向前邁進(jìn)一大步。”Katie Pizzolato表示。

IBM 現(xiàn)在正式將Falcon r5標(biāo)記為核心系統(tǒng),這是探索性的一步。

“我們正在確保Falcon r5正常運(yùn)行并具有高可靠性。我們相信讀取速度更快的r5可以保持高可用性,因此現(xiàn)在將其標(biāo)記為核心系統(tǒng),”Pizzolato說(shuō)。

Pizzolato 沒(méi)有給出Falcon r5 的具體 CLOPS 數(shù)字,但在 12 月初的另一次HPC 專(zhuān)業(yè)人士協(xié)會(huì)的演講中,IBM量子副總裁兼首席技術(shù)官Scott Crowder展示的一張幻燈片表明,IBM的CLOPS為4.3(盡管沒(méi)有具體說(shuō)明是哪個(gè) QPU),捕獲離子的CLOPS 為45。

4.IBM所有系統(tǒng)都支持Qiskit Runtime

今年5月,IBM推出了Qiskit Runtime測(cè)試版,據(jù)稱(chēng)這是“IBM Quantum 提供的一種新架構(gòu),可以簡(jiǎn)化需要多次迭代的計(jì)算”。這個(gè)想法是利用經(jīng)典系統(tǒng)來(lái)加速對(duì)QPU的訪(fǎng)問(wèn),這與CPU在經(jīng)典計(jì)算中管理對(duì)GPU的訪(fǎng)問(wèn)的方式不同。現(xiàn)在所有IBM QPU都支持Qiskit Runtime。

“我們創(chuàng)建了Qiskit Runtime,作為在可以非??焖僭L(fǎng)問(wèn)量子硬件的環(huán)境中執(zhí)行經(jīng)典代碼的容器平臺(tái)。”Pizzolato表示,“它徹底改變了量子硬件的使用模式。它允許用戶(hù)向IBM的量子數(shù)據(jù)中心提交電路程序,而不是簡(jiǎn)單的提交電路。這種方法使我們獲得了120倍的改進(jìn)。像VQE(變分量子特征求解器)這樣的程序,過(guò)去需要我們運(yùn)行45天,而現(xiàn)在,我們可以在9個(gè)小時(shí)內(nèi)解決同樣的問(wèn)題。”

IBM認(rèn)為,這些進(jìn)步加上127量子位的“Eagle”處理器意味著,“沒(méi)有人真的需要再使用模擬器了”。

以下是IBM網(wǎng)站上的Qiskit Runtime描述:“Qiskit Runtime允許授權(quán)用戶(hù)上傳他們的Qiskit量子程序供自己或他人使用。Qiskit量子程序,也稱(chēng)為Qiskit Runtime程序,是一段Python代碼,它接受特定的輸入,執(zhí)行量子計(jì)算,也可能是經(jīng)典計(jì)算,交互式地提供中間結(jié)果(如果需要的話(huà)),并返還處理結(jié)果。然后,相同或其他授權(quán)用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地傳遞所需的輸入?yún)?shù)來(lái)調(diào)用這些量子程序。”

5.Serverless Quantum介紹

IBM表示,Qiskit Runtime是一項(xiàng)更廣泛努力的一部分,通過(guò)云將經(jīng)典資源和量子資源更緊密地結(jié)合在一起,并創(chuàng)建無(wú)服務(wù)器量子計(jì)算。這將是消除開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在面臨的許多障礙的一大步。

“Qiskit Runtime通過(guò)將我們的QPU與經(jīng)典資源相結(jié)合以消除延遲并提高效率,從而在電路級(jí)別從我們的QPU中獲得更多性能。我們用小寫(xiě)字母c稱(chēng)其為經(jīng)典,”IBM研究人員Sarah Sheldon表示,“我們還發(fā)現(xiàn),我們可以利用經(jīng)典資源來(lái)加速實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)的進(jìn)程,并讓我們更早到達(dá)那里。”

“為了做到這一點(diǎn),我們用大寫(xiě)字母C稱(chēng)之為‘使用經(jīng)典’。這些功能將同時(shí)存在于在內(nèi)核和算法層面。我們將它們視為一組工具,允許用戶(hù)在量子資源和經(jīng)典資源之間進(jìn)行權(quán)衡,從而在內(nèi)核級(jí)別優(yōu)化應(yīng)用程序的整體性能。這通過(guò)用于采樣時(shí)間、演化等的電路庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在算法層面,我們看到了一個(gè)未來(lái),我們將提供預(yù)構(gòu)建的Qiskit Runtime,并結(jié)合經(jīng)典集成庫(kù)。我們稱(chēng)之為電路編織(Circuit Knitting)”Sarah Sheldon表示。

從廣義上講,電路編織是一種將一個(gè)具有更多量子位和更大門(mén)深度的大型量子電路分解為多個(gè)具有更少量子位作為更小門(mén)深度的更小的量子電路的技術(shù);然后在經(jīng)典的后期處理中將結(jié)果組合在一起。“這使我們能夠模擬比以往任何時(shí)候都大得多的系統(tǒng)。我們還可以沿著有高水平噪聲或串?dāng)_的邊緣編織電路。這讓我們能夠以更高的準(zhǔn)確度模擬量子系統(tǒng),”Sheldon 指出。

IBM報(bào)告稱(chēng),他們僅使用5個(gè)量子位及一種特定的“糾纏鍛造”技術(shù)模擬水分子的基態(tài),將電路編織到弱糾纏的兩半,從而演示了電路編織。IBM 表示,通過(guò)電路編織,用戶(hù)可以通過(guò)使用這些工具進(jìn)行速度權(quán)衡,來(lái)擴(kuò)大所解決問(wèn)題的規(guī)模或提高結(jié)果的質(zhì)量。

這些新功能被捆綁到 IBM 云上的IBM Code Engine中。IBM表示,代碼引擎與較低級(jí)別的工具結(jié)合將提供無(wú)服務(wù)器計(jì)算。 Pizzolato舉例說(shuō)明,“第一步是定義問(wèn)題。在這種情況下,我們使用VQE;其次,我們使用 Python 多云分布式計(jì)算框架 Lithops 來(lái)執(zhí)行代碼。在這個(gè)函數(shù)中,我們打開(kāi)一個(gè)與 Qiskit Runtime 的通信通道,并運(yùn)行程序估計(jì)器。”

“例如,在經(jīng)典計(jì)算中,我們使用同時(shí)擾動(dòng)隨機(jī)近似算法。這只是一個(gè)例子;你可以把任何東西放在這里。所以現(xiàn)在用戶(hù)可以坐下來(lái)享受結(jié)果。隨著開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越多地采用量子,量子無(wú)服務(wù)器使開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)W⒂谒麄兊拇a,而不會(huì)被拖到配置經(jīng)典資源的過(guò)程中,”她表示。

6、System Two的早期計(jì)劃

IBM的最終聲明是,它正在“結(jié)束”IBM Quantum System One,IBM Quantum System One是其全封閉量子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施,于2019年首次亮相。IBM量子硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Jerry Chow表示,System One將能夠處理“Eagle”,但 IBM正在與芬蘭公司Bluefors合作開(kāi)發(fā)其下一代低溫基礎(chǔ)設(shè)施System Two。

“我們正在積極開(kāi)發(fā)一套全新的技術(shù),從新型高密度、低溫微波柔性電纜到新一代基于FPGA的高帶寬、集成控制電子設(shè)備。”Chow表示。

Bluefors公司推出了其最新的低溫平臺(tái)Kide,它將成為IBM System Two的基礎(chǔ)。

“我們將其稱(chēng)為Kide,因?yàn)樵诜姨m語(yǔ)中,Kide 的意思是雪花或水晶,它代表了平臺(tái)的六邊形晶體幾何形狀,使其具有前所未有的可擴(kuò)展性和訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。” Bluefors 的 Russell Lake 表示,“即使我們創(chuàng)建了一個(gè)更大的平臺(tái),我們也能維持與較小系統(tǒng)相同的用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)性。隨著先進(jìn)量子硬件規(guī)模的不斷擴(kuò)大,這一點(diǎn)至關(guān)重要。我們通過(guò)將量子處理器的冷卻與運(yùn)行熱負(fù)載分離來(lái)優(yōu)化冷卻功率。此外,平臺(tái)密鑰的六重對(duì)稱(chēng)性意味著系統(tǒng)可以連接和集群,從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展的量子硬件配置。”

“IBM Quantum System Two的模塊化特性將成為未來(lái)量子數(shù)據(jù)中心的基石,”Gambetta表示。據(jù)推測(cè),433量子比特的Osprey處理器將安裝在新System Two基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)版本中。

IBM 的演示中有很多東西需要吸收。IBM自然是在試圖全力以赴。實(shí)際上,有許多公司致力于IBM討論的所有量子計(jì)算方面的工作,但很少有公司能夠解決所有這些問(wèn)題。出于這個(gè)原因,IBM的報(bào)告對(duì)整個(gè)量子社區(qū)的總體進(jìn)展進(jìn)行了有趣的概述。

在2023年實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì),即使只是少數(shù)應(yīng)用,也將是一件大事。

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2021-12-15
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