什么是以量子为中心的超级计算？

以量子为核心的超级计算机是下一代技术，将量子计算机与经典超级计算机连接起来，利用误差缓解和误差纠正算法，在实际运行时间内产生结果。

在量子计算时代，预计以量子为核心的超级计算将帮助研究人员在材料科学、机器学习、生成式 AI、高能物理等领域取得重大突破，甚至可能领先于大规模全量子系统。

完全实现的以量子为核心的超级计算机使用先进的中间件，将量子电路与经典计算资源集成在一起。基于 IBM© Quantum System Two 架构的以量子为核心的超级计算机，这是量子超级计算的构建模块，将量子技术与传统超级计算机相结合，从而互补并提升两者的性能。

1994年，麻省理工学院数学家 Peter Shor 发现了一种算法，利用假设的量子计算机，可以比最佳经典算法快得多地将大数分解为素因数。两年后，Lov Grover 发现了一种量子算法，比经典搜索算法更快地搜索数据库。这些发现极大地加速了量子计算的兴趣。

Shor 和 Grover 至少在理论上证明了，一个有用的量子计算机可以比经典方法更快地处理某些复杂工作负载，速度快数十万年。即使是世界上最先进的超级计算机，如用于高端数据中心和大学的计算机，也无法足够快速地处理大型量子工作负载。

量子处理器如 IBM Quantum Heron 已经证明了量子计算的可行性，不再仅是理论。然而，当前的量子计算机仍受限于诸如可处理的量子比特数量以及量子硬件固有的错误等障碍。

以量子为核心的超级计算通过利用量子比特的独特特性来执行经典系统无法实现的计算，从而结合了量子计算和经典计算的优势。这种方法旨在通过将量子计算机引入现有工作流，克服经典高性能计算的局限性，从而提升两类系统的计算效率和能力。

以下是高性能计算 (HPC) 与以量子为核心的超级计算的一些主要区别：

传统 HPC：

• 基于经典计算机架构
• 受到二进制处理和线性可扩展性的限制

以量子为核心的超级计算：

• 包含量子计算机，以在并行工作负载中同时使用量子和经典资源
• 优化后可以用于在同一数据中心或云中的量子计算机和 HPC 计算簇之间协调工作
• 对于某些问题，提供潜在的指数级加速和比单独量子计算或经典计算更强的处理能力

随着实验性量子计算的快速发展，我们预测，以量子为核心的超级计算将成为实现量子优势的关键桥梁，量子优势是研究人员用来衡量量子计算机是否能够超越模拟量子系统的经典硬件或其他任何经典方法解决实际问题的里程碑。然而，量子计算预计不会完全取代经典计算。相反，以量子为核心的超级计算机将量子计算机与经典计算机结合起来，两类系统协同工作，以执行单独系统无法完成的计算任务。

在全球范围内，多个超级计算设施已经开始引入量子计算硬件，包括德国的 Jupiter、日本的 Fugaku 以及波兰的 PSNC。作为 IBM Quantum 路线图的一部分，IBM 希望在 2033 年之前构建拥有数千个逻辑量子比特的以量子为核心的超级计算机。

与传统计算机不同，量子计算机利用量子物理的基本特性，可能解决复杂问题。量子计算机的四个关键原理如下：

• 叠加：叠加是指量子粒子或系统可以不仅表示单一可能性，而是多个可能性的组合状态。
• 纠缠：纠缠是指多个量子粒子之间建立的关联强度超过常规概率允许的过程。
• 退相干：退相干是量子粒子和系统可能发生衰减、坍缩或变化的过程，最终转化为可被经典物理测量的单一状态。
• 干涉：干涉是指纠缠量子态相互作用，从而产生更可能或更不可能的概率分布的现象。

经典计算机依赖二进制位（0 和 1）来存储和处理数据，而量子计算机则可以利用处于叠加态的量子比特 (qubits) 同时编码更多的数据。

量子比特 (qubit) 可以像传统比特一样存储零或一的值，但其强大之处在于能够存储叠加态：零和一的加权组合同时存在。当多个处于叠加态的量子比特组合在一起时，它们可以存储的信息量超过相同数量的传统比特。然而，在计算结束时，每个量子比特只能输出一位信息。量子算法通过以经典计算机无法访问的方式存储和操作信息，从而为某些问题提供加速。

控制量子比特需要精密的硬件，这些硬件对干扰非常敏感，必须保持在极低温度。量子研究人员使用低温制冷技术，将量子比特保持在比太空真空还要低的温度。

目前，量子硬件价格昂贵、体积庞大且易出错。尽管研究人员每天都在努力解决构建更大规模量子计算机的挑战，但量子计算预计短期内甚至可能永远不会完全取代传统计算。这是因为量子计算最适合处理特定的复杂问题。

量子计算机在几分钟内就可能解决一个传统超级计算机需要数十万年才能完成的模拟问题。这种性能加速被称为量子优势，目前仅在理论上得到证明。然而，IBM QUANTUM 计算机已经展示了量子效用，即在超越经典暴力模拟能力的规模上解决问题的能力。

量子计算建立在量子力学原理之上，量子力学描述了亚原子粒子与宏观物理行为的不同。但由于量子力学为整个宇宙提供了基础规律，从亚原子层面来看，每个系统都是量子系统。

因此，我们可以说，虽然传统计算机也建立在量子系统之上，但它们在计算过程中未能充分利用量子力学特性。量子计算机则能够更好地利用量子力学进行某些计算，即使是高性能计算机也无法完成。

经典计算模型使用二进制数字（比特）串，将所有信息简化为由零和一组成的二进制代码。通过使用一组简单的逻辑门，如 AND、OR、NOT 和 NAND，可以处理这些信息以执行高级计算。然而，每个逻辑门一次只能作用于一位或两位比特。我们确定经典计算机的“状态”是基于其所有比特的状态。经典计算机使用晶体管和半导体来存储和处理二进制信息。

量子计算机使用一种特殊的量子硬件，称为量子处理单元 (QPU)，以不同方式存储和处理数据。经典计算机使用晶体管来存储比特信息，而量子计算机使用量子比特 (qubits)，通常由量子粒子构成（这些粒子表现得像物理宇宙中已知最小的构建块）。与传统比特不同，量子比特可以承载超过两种状态的信息。

数字计算机在任一时刻只能处于单一状态，而量子计算机的量子比特在计算过程中可以同时处于多种逻辑状态。这种现象被称为叠加，它是一种第三种状态，根据概率表示零、一以及介于两者之间的所有可能位置。在计算结束时，每个量子比特将以与其在叠加态中贡献相对应的概率取零或一的值。

不同类型的量子比特适用于不同的用例和系统。IBM 使用超导量子比特，这类量子比特因速度快且易于精确控制而受到青睐。由光子（单个光粒子）构成的量子比特通常用于量子通信和量子密码学。其他类型的量子比特还包括被捕获的离子、中性原子以及由称为量子点的小型半导体控制的单电子。

以量子为核心的超级计算机的核心是量子处理单元 (QPU)。IBM 的 QPU 包含用于输入和输出电路的硬件，以及刻有超导电路的多层半导体芯片。正是这些电路包含用于计算的量子比特以及对其执行操作的门电路。电路被分为量子比特层、用于读出的谐振器层以及用于输入和输出的多层布线。QPU 还包括互连装置、放大器和信号滤波组件。

IBM 使用的物理量子比特由一个超导电容器构成，并连接到称为约瑟夫森结 (Josephson junctions) 的组件，这些组件表现得像无损的非线性电感。由于系统具有超导特性，流经约瑟夫森结的电流只能取特定的数值。约瑟夫森结还会将这些特定数值进行间隔划分，从而只有其中两个数值可被访问。

量子比特随后被编码在电流的最低两个数值中，这两个数值就分别表示零和一（或同时表示零和一的叠加态）。程序员通过量子指令（通常称为门）来改变量子比特的状态并将量子比特耦合在一起。这些门是一系列特别设计的微波波形。

为了保持量子比特在所需温度下运行，部分 QPU 组件必须置于稀释制冷机中，该制冷机使用液氦保持低温。其他 QPU 组件则需要常温的经典计算硬件。随后，QPU 连接到运行时基础设施，该基础设施还负责误差缓解和结果处理。这就构成了一台量子计算机。

量子系统与经典系统的集成是通过中间件和混合云解决方案实现的，这些方案促进了两者之间的无缝交互。这种混合方法有助于确保量子处理单元能够在连接到现有计算框架的量子计算机中得到有效使用，从而在无需完全重构现有基础设施的情况下最大化其影响力。

尽管近年来取得了进展，控制量子比特仍然是一大挑战。外部噪声以及控制信号之间的串扰会破坏量子比特脆弱的量子特性，而控制这些噪声源一直是推动实用量子为核心超级计算机发展的关键。

除了硬件改进之外，研究人员还展示了通过使用误差缓解算法来应对部分噪声的能力，这些算法分析系统噪声如何影响程序输出。研究人员利用这些信息创建噪声模型，然后使用经典计算根据模型预测反向推导出无噪声的结果。量子误差缓解是将当今的量子硬件发展为未来容错量子计算机的持续路径的一部分。

在下方视频中，IBM Quantum 的研究人员 Andrew Eddins 和 Youngseok Kim 解释了误差缓解在近期实现实用量子计算中将发挥的关键作用。

与误差缓解不同，误差缓解是在计算完成后通过后处理修复噪声，而量子误差纠正可以在处理过程中实时消除噪声，无需事先创建特定的噪声模型。虽然误差缓解在一定程度上有效，但其规模有限。随着量子电路复杂度的增加，量子误差纠正在大规模系统中仍然有效。

量子误差纠正需要大量资源，例如更多的量子比特和电路中的更多门操作。使用更多量子比特进行计算就需要更多量子比特用于误差纠正。更好的硬件和更优的纠错编码正在使误差纠正变为现实。今年早些时候，IBM 发布了一种新型纠错存储器，该存储器有望在近期的量子计算机上实现。

电路拼接是一种技术，它将一个量子计算问题分解为多个子问题，然后在不同的量子处理器上并行运行。量子计算机与经典计算机精确地将各个电路的结果组合在一起，从而得出最终结论。通过将经典计算与量子处理结合，电路拼接使量子研究人员能够更高效地运行量子电路。

人们对“量子计算机”的常见认知通常设想使用数百万物理量子比特的单个量子处理单元 (QPU) 独立运行程序。而 IBM 量子副总裁兼 Fellow Jay Gambetta 写道：“相反，我们设想的是结合多个 QPU 的计算机，量子电路在分布式经典计算机的协作下并行运行。”另一种技术则依赖经典计算完成大部分计算，仅将最量子化的部分交给量子处理器处理。

要将量子计算机扩展到足够规模以解决实际问题，需要量子误差纠正以及更大的 QPU 或多个互联的 QPU。除了用于运行量子工作负载的全栈量子计算软件 Qiskit 之外，IBM 还在开发中间件，用于管理精确的电路拼接以及计算资源的动态调度。

量子计算机擅长解决某些复杂问题，并有可能加速大规模数据集的处理。从新药研发到供应链优化，再到材料科学和气候变化挑战，量子计算可能成为多个关键行业取得突破的关键。

• 制药行业：能够模拟分子行为和生化反应的量子计算机，可以大幅加速新药和医疗治疗方案的研发，从而挽救更多生命。

• 化学领域：出于量子计算可能影响医学研究的同样原因，它也可能为缓解危险或破坏性化学副产物提供未知的解决方案。量子计算可以推动更高效的催化剂开发，从而实现石化替代品，或优化碳分解过程，以应对威胁气候的排放。

• 机器学习：随着人工智能 (AI) 及其相关领域（如机器学习）的兴趣和投资不断增加，研究人员正在探索某些量子算法是否能够以全新方式分析数据集，从而加速部分机器学习问题的处理。

目前的量子计算机是科学工具，适用于运行超越经典模拟的特定程序，至少是在模拟某些量子系统时。然而，在可预见的未来，量子计算将与现代和未来的经典超级计算机协同工作，才能发挥其作用。为此，量子研究人员正在为一个世界做好准备，在这个世界里，经典超级计算机可以利用量子电路来帮助解决问题。

量子中心超级计算面临的关键挑战包括：成熟中间件以实现经典计算机与量子计算机的通信，以及量子计算机本身面临的一般挑战。在实现量子优势之前，开发人员已识别出以下需要克服的主要障碍。

一台完全实现的大规模量子计算机需要数百万个物理量子比特。然而，受限于实际硬件条件，将单个芯片扩展到如此规模是极具挑战性的。作为解决方案，IBM 正在开发下一代互连技术，能够在多个芯片间传输量子信息。这种方案提供了模块化的可扩展性，以达到执行量子纠错所需的量子比特数量。IBM 计划通过名为 Flamingo 和 Crossbill 的概念验证芯片，来展示这些新的互连技术，分别称为 l 型耦合器和 m 型耦合器。这些耦合器负责芯片的扩展。IBM 还计划在 2026 年底通过名为 Kookaburra 的芯片展示 c 型耦合器，这类耦合器负责协助量子纠错。

虽然依赖量子计算中使用的量子比特的量子处理器有潜力大幅超越基于比特的处理器，但目前的量子处理器只能支持少量量子比特。随着研究的推进，IBM 计划到 2029 年推出一套具有 200 个逻辑量子比特的量子系统，可运行 1 亿个量子门（quantum gates），并以 2033 年实现 2,000 个逻辑量子比特、可运行 10 亿个量子门为目标。

尽管功能强大，但量子比特也非常容易出错，需要大型制冷系统以产生低于外太空的温度。研究人员正在开发方法，以扩展量子比特、电子设备、基础设施和软件，从而减少占用空间、降低成本并节约能源。

量子比特的相干性虽短暂，但对于生成准确的量子数据至关重要。退相干效应（即量子比特失效并产生错误结果的过程）是所有量子系统面临的主要障碍。量子纠错要求我们将量子信息编码到远超常规数量的量子比特中。2024 年，IBM 宣布了一种具有里程碑意义的新型纠错码，其效率比以往方法高约 10 倍。虽然纠错问题尚未完全解决，但这套新代码为运行拥有十亿逻辑门或更多的量子电路指明了清晰的路径。

实现量子优势需要两个组成部分。第一是可行的量子电路，第二是能够证明这些量子电路在解决量子问题上优于任何其他最先进方法的手段。量子算法的发现将推动当前的量子技术从量子实用性迈向量子优势。

量子算法发现的核心依赖于高性能且稳定的软件堆栈，用于编写、优化和执行量子程序。IBM 的 Qiskit 是全球最广泛使用的量子软件。它基于 Python，由开源 SDK 及支持工具和服务组成，可用于在 IBM 的超导量子计算机群上执行，也可用于使用替代技术的系统，例如磁场中被困的离子或量子退火系统。