與Jay Gambetta的Q&A：IBM與量子計算

北京時間6月13日消息（余予）近日，HPCwire展示了其對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那樣處理復雜的量子計算領(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展，要求提供一個新的1386量子比特處理器- Kookaburra - 并在2025年之前提供一個使用三個連接的Kookaburra處理器構(gòu)建的4158量子比特系統(tǒng)。Gambetta分享了他對擴大量子計算機所需步驟的看法以及IBM如何努力支持擴展的軟件開發(fā)人員社區(qū)。

以下為Q&A實錄：

Q：您說過2023年將是我們獲得更廣泛的量子優(yōu)勢的一年。您能否詳細說明一下這個想法，并提供一些您認為將在2023年開始在生產(chǎn)環(huán)境中的量子計算機上運行的應用程序示例？此外，這些早期的量子應用程序的性能會比經(jīng)典應用程序好多少？

我們的目標是盡快實現(xiàn)量子優(yōu)勢。我不喜歡過于關(guān)注特定項目的日期而不考慮整個路線圖以使其成為可能。為了實現(xiàn)量子優(yōu)勢，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誤，并對量子計算機進行編程。

從性能說起，主要通過三個指標衡量：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年實現(xiàn)1121個量子比特的路線圖。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行量子電路的好壞的指標，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器上運行多快的速度，去年我們的速度提高了120倍，我們預計今年通過CLOPS衡量的速度會再提高10倍。只有提高性能，我們才有機會獲得量子優(yōu)勢。

實現(xiàn)量子優(yōu)勢的第二點是對這些機器進行編程。量子計算機中存在一些人為區(qū)分，即容錯量子計算機 (FTQC) 或嘈雜中型量子 (NISQ)。我個人盡量遠離標簽，回到計算的意義。為了實現(xiàn)量子優(yōu)勢，我們需要運行沒有任何有效經(jīng)典方法來模擬的量子電路，以及使用這些電路的應用程序，這些電路可以為我們提供一個更便宜、更快或更準確的解決方案，而不是僅使用“唯一”經(jīng)典方法。從長遠來看，我們將需要糾錯和容錯，但是量子優(yōu)勢的第一個例子將通過使用錯誤緩解和智能方法將問題分解成更小的部分來實現(xiàn)，我們稱之為電路編織。錯誤緩解是我們在2017年提出的一種方法，從那時起，該領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了擴展和想法，使其可以在更大的系統(tǒng)上運行，最近開始將錯誤緩解和糾錯聯(lián)系在一起。電路編織是一種想法，我們可以將一個大問題分解成更小的量子問題，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題，例如糾纏鍛造、電路切割和電路嵌入。如果你問錯誤緩解和電路編織的共同點是什么，那就是量子計算和經(jīng)典計算需要協(xié)同工作。為此，我們需要開發(fā)一種新的量子計算機編程方法。2016年，當我們第一次將量子計算機放到云端時，API是一個簡單的電路API；從那時起，我們開發(fā)了Qiskit Runtime，這是一個API，允許用戶建立運行時環(huán)境，允許簡單的量子程序以快速的速率運行量子電路。接下來是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算基礎設施，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。通過這項創(chuàng)新，開發(fā)人員或研究人員無需擔心特定類型的計算基礎設施，可以專注于使用電路編織或錯誤緩解的代碼和程序應用程序。只有這樣，我們才能擁有在不久的將來實現(xiàn)量子優(yōu)勢的工具。

最后，如果我必須猜測哪些應用將展示出量子優(yōu)勢，那很可能是模擬量子力學（化學、材料科學或高能物理）的問題，或者是處理經(jīng)典計算機難以找到答案的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的問題（機器學習、排名）。

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

在保持處理器性能的同時擴展量子處理器始終是量子硬件面臨的最大挑戰(zhàn)——對于任何硬件，不僅是超導量子比特。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)過反復迭代嚴格認證的，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推動和提高性能的地方。因為我們希望盡快為我們的客戶帶來最新的功能，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成為我們的下一個核心系統(tǒng)。我們所做的一些新功能包括一個新的處理器，以提高一致性（例如，F(xiàn)alcon R8/Hummingbird R3的一致性時間是以前Falcon/Hummingbird的兩倍多），一個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)量以推動規(guī)模（Eagle和Osprey）。

在Osprey中，我們繼續(xù)進行許多使Eagle成為可能的類似設備封裝進步（多級布線和基板通孔），但我們必須設計新的信號傳輸類型，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，我們必須繼續(xù)擴大控制電子設備的規(guī)模。控制電子設備在穩(wěn)定性和噪聲等領(lǐng)域的性能可能是一個相當大的規(guī)模問題，因此我們必須開發(fā)新的想法來提供適當?shù)氖芸丨h(huán)境以有效運行。此外，如果我們的目標是未來系統(tǒng)的數(shù)百萬個量子比特，那么電子設備的成本是擴展的一個重要因素。因此，通過使電子部件模塊化、簡化微波電路以及優(yōu)化互連，我們預計能夠為像Osprey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)，可簡化未來的擴展并為量子數(shù)據(jù)中心奠定基礎。

Q：在開發(fā)能夠向潛在用戶和開發(fā)人員社區(qū)隱藏量子計算復雜性的工具方面，我們付出了巨大的努力。該領(lǐng)域發(fā)生的關(guān)鍵進展是什么？您是否設想有這樣一個時代，主流HPC應用程序（例如 AMBER/GROMACS（分子mod/sim））和數(shù)學應用程序（例如MATLAB/Mathematica）將簡單地嵌入量子API，以便用戶可以簡單地選擇一個量子選項？

我們的理念是量子計算的無差別開發(fā)。為了使量子計算成為現(xiàn)實，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)人員在量子設備級別工作并改進在量子硬件上運行的量子電路。這包括更好的脈沖設計、編譯器、動態(tài)去耦、錯誤緩解和最終的量子糾錯。我們將OpenQASM設計為該開發(fā)人員的中間表示語言，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。第二個是算法開發(fā)人員，他們致力于提高量子計算的核心能力，利用量子和經(jīng)典計算算法并構(gòu)建軟件庫。我相信量子無服務器將成為簡化該開發(fā)人員工作的工具，并允許該開發(fā)人員同時使用HPC和量子來構(gòu)建API和庫以供下一層使用。第三個是模型開發(fā)人員，他們使用已經(jīng)內(nèi)置的庫、函數(shù)和高級HPC應用程序開發(fā)量子應用程序。模型開發(fā)人員是使用量子計算解決問題的領(lǐng)域?qū)＜?。模型開發(fā)人員將是大多數(shù)的量子計算用戶，如果做得正確，他們不需要知道如何在量子電路級別進行編程來完成他們的工作。如果量子計算變得有用，那么應該無差別地提供量子服務。我可以想象嵌入在我們?nèi)粘Ｓ嬎銘贸绦蚰K（例如MATLAB或AMBER）中的量子API，其中可以在單個計算環(huán)境中對經(jīng)典和量子計算解決方案進行編程。

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

我的觀點很簡單，計算對于科學和商業(yè)的進步至關(guān)重要，而高性能計算是我們使用的工具。從硬件來看，我認為我們已經(jīng)擁有以CPU為中心的超級計算機，今天我們看到以人工智能為中心的超級計算機出現(xiàn)，我預測，未來我們將擁有以量子為中心的超級計算機。HPC無服務器的趨勢非常符合量子的發(fā)展方向，如果我們能夠使量子無服務器成為現(xiàn)實，我認為擁有適用于所有工作負載的加速器的超級計算機是我們推動科學和技術(shù)向前發(fā)展所需的工具。

我認為隨著我們開始了解基于邊緣的工作負載的通信和存儲之間的交叉點，這可以讓我們走得更遠。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計算機？我認為答案是肯定的，但這意味著我們需要了解量子網(wǎng)絡、計算和存儲如何在我們構(gòu)建更大、更強大的機器時協(xié)同工作。這只能通過充滿活力和活躍的量子研究人員和開發(fā)人員社區(qū)來完成。

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、獨特的愛好、最喜歡的地方等等？您有使您的同事可能會感到驚訝的地方嗎？

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

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