IBM 概述高性能環境中量子超級計算的新架構

IBM推出了一個連接量子超級計算與經典高性能系統的參考架構，以加速科學發現與複雜模擬。

IBM展示首個量子為中心的超級計算藍圖

IBM發布了所謂的業界首個量子為中心的超級計算參考架構，詳細說明了量子處理器如何緊密整合到現代超級計算環境中。該公司認為，隨著量子硬體朝實用應用邁進，這種統一的方法將變得至關重要。

目前，量子電腦正朝著對複雜量子系統進行有用模擬的方向發展。此外，新興的混合量子經典算法已在化學和材料科學等領域產生有意義的結果，這些領域中量子力學扮演著核心角色。

然而，它們解決重大科學挑戰的能力仍受限。主要障礙在於它們與現有經典高性能計算基礎設施的隔離，該基礎設施仍依賴手動數據傳輸和量子與經典系統之間的臨時協調。

整合量子、GPU與CPU資源

為了彌合這一差距，IBM提出了一個架構，將量子處理器（QPU）與GPU和CPU結合，涵蓋本地集群、國家研究中心和雲平台。此模型旨在讓不同的計算技術能協作處理超出任何單一系統能力的問題。

該藍圖建立了一個統一的計算環境，將量子硬體與經典資源（包括CPU和GPU集群、高速網路和共享存儲）融合。此外，這種組合旨在支持密集型工作負載和算法開發，同時使在生產規模工作流程中更容易將量子處理器與GPU結合使用。

實踐中，該設計旨在簡化量子與經典工作流程的協調，讓科學家無需手動管理處理器之間的數據傳輸。不過，該架構仍依賴強大的中介軟體和軟體抽象來隱藏底層的複雜性，讓最終用戶更易使用。

三階段整合系統路線圖

IBM科學家描述了一個三階段的路線圖，朝著完全整合的量子經典系統邁進，能支持端到端的科學工作流程。第一階段專注於在高性能計算環境中部署QPU加速器，使量子處理器作為專用加速器附加於現有超級計算機。

第二階段，IBM展望建立中介軟體支援的異構平台，抽象系統複雜性。此外，這些平台將允許開發者將量子、CPU和GPU資源視為單一邏輯系統的組件，而非必須分別管理的孤立機器。

最終，第三階段旨在從零開始設計完全協同優化的量子-經典系統，以支持完整的工作流程。在此階段，量子計算與超級計算將緊密耦合，使工作負載能根據性能和精度需求在量子與經典資源間動態劃分。

軟體堆疊與開發者存取

基於此基礎，IBM計劃支持跨越量子與經典計算的協調工作流程，並在同一應用中實現。公司強調整合協調與開放軟體框架是架構的關鍵組成部分。

特別是，IBM指出Qiskit開放軟體框架，為開發者和科學家提供了使用熟悉工具存取量子能力的方法。此外，通過標準介面暴露量子資源，IBM期望在化學、材料科學和複雜優化等領域推廣應用。

該公司認為，隨著時間推移，這個生態系統有望實現可擴展的量子超級計算化學模擬及其他高需求工作負載。然而，要實現這一願景，仍需在量子硬體和經典基礎設施方面持續進步。

科學影響與長遠願景

IBM高層將此努力視為超級計算與量子計算新時代的邁進。公司表示，目標不是取代經典機器，而是將它們的優勢與量子硬體的能力結合，形成一個協調的架構。

“當今的量子處理器已開始應對科學問題中最困難的部分——由量子力學控制的化學反應，”IBM研究主管兼IBM院士Jay Gambetta表示。他強調，這一進展已在早期研究項目中展現。

“未來在於量子超級計算，量子處理器將與經典高性能計算緊密合作，解決過去難以觸及的問題。IBM正在構建實現這一未來的技術與系統。”他說。

總體而言，IBM的參考架構旨在提供一條明確的技術路徑，將量子與經典資源結合，讓公司在新興的量子為中心超級計算領域中占據核心位置。