與Jay Gambetta的Q&A：IBM與量子計(jì)算

北京時(shí)間6月13日消息（余予）近日，HPCwire展示了其對(duì)IBM研究員兼Quantum副總裁Jay Gambetta以及HPCwire 2022值得關(guān)注的人物的采訪。很少有公司像IBM那樣處理復(fù)雜的量子計(jì)算領(lǐng)域的許多部分。從硬件、軟件、中間件、教育軟件和用例探索，IBM在所有這些領(lǐng)域都取得了令人矚目的成就。最近，IBM公布了其路線圖的擴(kuò)展，要求提供一個(gè)新的1386量子比特處理器- Kookaburra - 并在2025年之前提供一個(gè)使用三個(gè)連接的Kookaburra處理器構(gòu)建的4158量子比特系統(tǒng)。Gambetta分享了他對(duì)擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)所需步驟的看法以及IBM如何努力支持?jǐn)U展的軟件開發(fā)人員社區(qū)。

以下為Q&A實(shí)錄：

Q：您說(shuō)過(guò)2023年將是我們獲得更廣泛的量子優(yōu)勢(shì)的一年。您能否詳細(xì)說(shuō)明一下這個(gè)想法，并提供一些您認(rèn)為將在2023年開始在生產(chǎn)環(huán)境中的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序示例？此外，這些早期的量子應(yīng)用程序的性能會(huì)比經(jīng)典應(yīng)用程序好多少？

我們的目標(biāo)是盡快實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)。我不喜歡過(guò)于關(guān)注特定項(xiàng)目的日期而不考慮整個(gè)路線圖以使其成為可能。為了實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，我們既需要提高處理器的性能，又需要更好地理解如何處理錯(cuò)誤，并對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程。

從性能說(shuō)起，主要通過(guò)三個(gè)指標(biāo)衡量：規(guī)模、質(zhì)量和速度。規(guī)模是處理器中可操作的量子比特的數(shù)量，我們已經(jīng)制定了在2023年實(shí)現(xiàn)1121個(gè)量子比特的路線圖。我們目前正在更新路線圖，以包括模塊化，以展示通往更大規(guī)模的道路；質(zhì)量是衡量量子處理器運(yùn)行量子電路的好壞的指標(biāo)，我們已經(jīng)證明，按照量子體積的衡量，質(zhì)量每年至少可以翻一番；速度是關(guān)于量子電路可以在我們的機(jī)器上運(yùn)行多快的速度，去年我們的速度提高了120倍，我們預(yù)計(jì)今年通過(guò)CLOPS衡量的速度會(huì)再提高10倍。只有提高性能，我們才有機(jī)會(huì)獲得量子優(yōu)勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)的第二點(diǎn)是對(duì)這些機(jī)器進(jìn)行編程。量子計(jì)算機(jī)中存在一些人為區(qū)分，即容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī) (FTQC) 或嘈雜中型量子 (NISQ)。我個(gè)人盡量遠(yuǎn)離標(biāo)簽，回到計(jì)算的意義。為了實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)，我們需要運(yùn)行沒(méi)有任何有效經(jīng)典方法來(lái)模擬的量子電路，以及使用這些電路的應(yīng)用程序，這些電路可以為我們提供一個(gè)更便宜、更快或更準(zhǔn)確的解決方案，而不是僅使用“唯一”經(jīng)典方法。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們將需要糾錯(cuò)和容錯(cuò)，但是量子優(yōu)勢(shì)的第一個(gè)例子將通過(guò)使用錯(cuò)誤緩解和智能方法將問(wèn)題分解成更小的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們稱之為電路編織。錯(cuò)誤緩解是我們?cè)?017年提出的一種方法，從那時(shí)起，該領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了擴(kuò)展和想法，使其可以在更大的系統(tǒng)上運(yùn)行，最近開始將錯(cuò)誤緩解和糾錯(cuò)聯(lián)系在一起。電路編織是一種想法，我們可以將一個(gè)大問(wèn)題分解成更小的量子問(wèn)題，然后使用經(jīng)典方法將這些部分重新組合在一起以解決更大的問(wèn)題，例如糾纏鍛造、電路切割和電路嵌入。如果你問(wèn)錯(cuò)誤緩解和電路編織的共同點(diǎn)是什么，那就是量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算需要協(xié)同工作。為此，我們需要開發(fā)一種新的量子計(jì)算機(jī)編程方法。2016年，當(dāng)我們第一次將量子計(jì)算機(jī)放到云端時(shí)，API是一個(gè)簡(jiǎn)單的電路API；從那時(shí)起，我們開發(fā)了Qiskit Runtime，這是一個(gè)API，允許用戶建立運(yùn)行時(shí)環(huán)境，允許簡(jiǎn)單的量子程序以快速的速率運(yùn)行量子電路。接下來(lái)是Quantum Serverless，一種新的編程方法，允許開發(fā)人員或研究人員靈活地組合各種計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，例如量子處理器、CPU、GPU，甚至是其他專門構(gòu)建的經(jīng)典加速器。通過(guò)這項(xiàng)創(chuàng)新，開發(fā)人員或研究人員無(wú)需擔(dān)心特定類型的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，可以專注于使用電路編織或錯(cuò)誤緩解的代碼和程序應(yīng)用程序。只有這樣，我們才能擁有在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)的工具。

最后，如果我必須猜測(cè)哪些應(yīng)用將展示出量子優(yōu)勢(shì)，那很可能是模擬量子力學(xué)（化學(xué)、材料科學(xué)或高能物理）的問(wèn)題，或者是處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以找到答案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題（機(jī)器學(xué)習(xí)、排名）。

Q：2021年底，Eagle QPU打破了100量子比特的障礙，這是一個(gè)令人印象深刻的進(jìn)步。IBM的既定目標(biāo)是將433量子比特的QPU Osprey推向市場(chǎng)，這似乎至少是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Osprey需要哪些重大硬件改進(jìn)？另外，也許您可以談?wù)勏嚓P(guān)的量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制電路的進(jìn)步，他們也會(huì)很重要？

在保持處理器性能的同時(shí)擴(kuò)展量子處理器始終是量子硬件面臨的最大挑戰(zhàn)——對(duì)于任何硬件，不僅是超導(dǎo)量子比特。我們開發(fā)了一種稱為敏捷硬件開發(fā)的程序。我們的系統(tǒng)是我們的核心系統(tǒng)和探索性系統(tǒng)。核心系統(tǒng)是我們經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代嚴(yán)格認(rèn)證的，相信我們可以提供高性能和高可靠性的系統(tǒng)；探索性系統(tǒng)是我們專注于一些特定的新功能來(lái)推動(dòng)和提高性能的地方。因?yàn)槲覀兿ＭM快為我們的客戶帶來(lái)最新的功能，所以我們提供兩種類型的系統(tǒng)。截至今天，F(xiàn)alcon R5是我們的核心系統(tǒng)，我們正在努力讓Eagle成為我們的下一個(gè)核心系統(tǒng)。我們所做的一些新功能包括一個(gè)新的處理器，以提高一致性（例如，F(xiàn)alcon R8/Hummingbird R3的一致性時(shí)間是以前Falcon/Hummingbird的兩倍多），一個(gè)具有更快門的新架構(gòu)（Falcon R10），速度更快讀數(shù)以獲得更好的CLOPS（Falcon R5），以及最后增加量子比特的數(shù)量以推動(dòng)規(guī)模（Eagle和Osprey）。

在Osprey中，我們繼續(xù)進(jìn)行許多使Eagle成為可能的類似設(shè)備封裝進(jìn)步（多級(jí)布線和基板通孔），但我們必須設(shè)計(jì)新的信號(hào)傳輸類型，以提高I/O的工作密度，從而控制處理器的低溫溫度。與此同時(shí)，我們必須繼續(xù)擴(kuò)大控制電子設(shè)備的規(guī)模?？刂齐娮釉O(shè)備在穩(wěn)定性和噪聲等領(lǐng)域的性能可能是一個(gè)相當(dāng)大的規(guī)模問(wèn)題，因此我們必須開發(fā)新的想法來(lái)提供適當(dāng)?shù)氖芸丨h(huán)境以有效運(yùn)行。此外，如果我們的目標(biāo)是未來(lái)系統(tǒng)的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，那么電子設(shè)備的成本是擴(kuò)展的一個(gè)重要因素。因此，通過(guò)使電子部件模塊化、簡(jiǎn)化微波電路以及優(yōu)化互連，我們預(yù)計(jì)能夠?yàn)橄馩sprey這樣的大型處理器生產(chǎn)出具有低噪聲和高穩(wěn)定性的可擴(kuò)展控制電子系統(tǒng)。

此外，Osprey將成為我們引入IBM Quantum System 2的一部分，提供模塊化的量子硬件系統(tǒng)架構(gòu)，可簡(jiǎn)化未來(lái)的擴(kuò)展并為量子數(shù)據(jù)中心奠定基礎(chǔ)。

Q：在開發(fā)能夠向潛在用戶和開發(fā)人員社區(qū)隱藏量子計(jì)算復(fù)雜性的工具方面，我們付出了巨大的努力。該領(lǐng)域發(fā)生的關(guān)鍵進(jìn)展是什么？您是否設(shè)想有這樣一個(gè)時(shí)代，主流HPC應(yīng)用程序（例如 AMBER/GROMACS（分子mod/sim））和數(shù)學(xué)應(yīng)用程序（例如MATLAB/Mathematica）將簡(jiǎn)單地嵌入量子API，以便用戶可以簡(jiǎn)單地選擇一個(gè)量子選項(xiàng)？

我們的理念是量子計(jì)算的無(wú)差別開發(fā)。為了使量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)，我們需要為三種不同類型的開發(fā)人員制作工具。內(nèi)核、算法和模型。內(nèi)核開發(fā)人員在量子設(shè)備級(jí)別工作并改進(jìn)在量子硬件上運(yùn)行的量子電路。這包括更好的脈沖設(shè)計(jì)、編譯器、動(dòng)態(tài)去耦、錯(cuò)誤緩解和最終的量子糾錯(cuò)。我們將OpenQASM設(shè)計(jì)為該開發(fā)人員的中間表示語(yǔ)言，該開發(fā)人員將構(gòu)建原始Qiskit Runtime程序供下一層開發(fā)人員使用。第二個(gè)是算法開發(fā)人員，他們致力于提高量子計(jì)算的核心能力，利用量子和經(jīng)典計(jì)算算法并構(gòu)建軟件庫(kù)。我相信量子無(wú)服務(wù)器將成為簡(jiǎn)化該開發(fā)人員工作的工具，并允許該開發(fā)人員同時(shí)使用HPC和量子來(lái)構(gòu)建API和庫(kù)以供下一層使用。第三個(gè)是模型開發(fā)人員，他們使用已經(jīng)內(nèi)置的庫(kù)、函數(shù)和高級(jí)HPC應(yīng)用程序開發(fā)量子應(yīng)用程序。模型開發(fā)人員是使用量子計(jì)算解決問(wèn)題的領(lǐng)域?qū)＜?。模型開發(fā)人員將是大多數(shù)的量子計(jì)算用戶，如果做得正確，他們不需要知道如何在量子電路級(jí)別進(jìn)行編程來(lái)完成他們的工作。如果量子計(jì)算變得有用，那么應(yīng)該無(wú)差別地提供量子服務(wù)。我可以想象嵌入在我們?nèi)粘Ｓ?jì)算應(yīng)用程序模塊（例如MATLAB或AMBER）中的量子API，其中可以在單個(gè)計(jì)算環(huán)境中對(duì)經(jīng)典和量子計(jì)算解決方案進(jìn)行編程。

Q：您認(rèn)為HPC將走向何方？您發(fā)現(xiàn)哪些趨勢(shì)——尤其是新興趨勢(shì)——最引人注目？有什么是您擔(dān)心的嗎？

我的觀點(diǎn)很簡(jiǎn)單，計(jì)算對(duì)于科學(xué)和商業(yè)的進(jìn)步至關(guān)重要，而高性能計(jì)算是我們使用的工具。從硬件來(lái)看，我認(rèn)為我們已經(jīng)擁有以CPU為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)，今天我們看到以人工智能為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，我預(yù)測(cè)，未來(lái)我們將擁有以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)。HPC無(wú)服務(wù)器的趨勢(shì)非常符合量子的發(fā)展方向，如果我們能夠使量子無(wú)服務(wù)器成為現(xiàn)實(shí)，我認(rèn)為擁有適用于所有工作負(fù)載的加速器的超級(jí)計(jì)算機(jī)是我們推動(dòng)科學(xué)和技術(shù)向前發(fā)展所需的工具。

我認(rèn)為隨著我們開始了解基于邊緣的工作負(fù)載的通信和存儲(chǔ)之間的交叉點(diǎn)，這可以讓我們走得更遠(yuǎn)。我們是否需要量子版本的邊緣和/或分布式以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)？我認(rèn)為答案是肯定的，但這意味著我們需要了解量子網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)如何在我們構(gòu)建更大、更強(qiáng)大的機(jī)器時(shí)協(xié)同工作。這只能通過(guò)充滿活力和活躍的量子研究人員和開發(fā)人員社區(qū)來(lái)完成。

Q：在專業(yè)領(lǐng)域之外，您能告訴我們關(guān)于您自己的什么——家庭故事、獨(dú)特的愛(ài)好、最喜歡的地方等等？您有使您的同事可能會(huì)感到驚訝的地方嗎？

我在澳大利亞昆士蘭長(zhǎng)大，經(jīng)常進(jìn)行沖浪和戶外活動(dòng)。從小我就想建造東西，要么成為木匠，要么成為機(jī)械師，但我在大學(xué)里我迷上了科學(xué)，總是發(fā)現(xiàn)自己在做我不懂的學(xué)科。為了放松，我不再?zèng)_浪，而是專注于冬天的滑雪板和夏天的皮劃艇。為了好玩，我喜歡修復(fù)房子和建造簡(jiǎn)單的家具。我最近在紐約州北部購(gòu)買了一座湖邊小屋，所以我花了一些時(shí)間來(lái)布置它，讓自己在戶外放松一下。

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