与Jay Gambetta的Q&A：IBM与量子计算

北京时间6月13日消息（余予）近日，HPCwire展示了其对IBM研究员兼Quantum副总裁Jay Gambetta以及HPCwire 2022值得关注的人物的采访。很少有公司像IBM那样处理复杂的量子计算领域的许多部分。从硬件、软件、中间件、教育软件和用例探索，IBM在所有这些领域都取得了令人瞩目的成就。最近，IBM公布了其路线图的扩展，要求提供一个新的1386量子比特处理器- Kookaburra - 并在2025年之前提供一个使用三个连接的Kookaburra处理器构建的4158量子比特系统。Gambetta分享了他对扩大量子计算机所需步骤的看法以及IBM如何努力支持扩展的软件开发人员社区。

以下为Q&A实录：

Q：您说过2023年将是我们获得更广泛的量子优势的一年。您能否详细说明一下这个想法，并提供一些您认为将在2023年开始在生产环境中的量子计算机上运行的应用程序示例？此外，这些早期的量子应用程序的性能会比经典应用程序好多少？

我们的目标是尽快实现量子优势。我不喜欢过于关注特定项目的日期而不考虑整个路线图以使其成为可能。为了实现量子优势，我们既需要提高处理器的性能，又需要更好地理解如何处理错误，并对量子计算机进行编程。

从性能说起，主要通过三个指标衡量：规模、质量和速度。规模是处理器中可操作的量子比特的数量，我们已经制定了在2023年实现1121个量子比特的路线图。我们目前正在更新路线图，以包括模块化，以展示通往更大规模的道路；质量是衡量量子处理器运行量子电路的好坏的指标，我们已经证明，按照量子体积的衡量，质量每年至少可以翻一番；速度是关于量子电路可以在我们的机器上运行多快的速度，去年我们的速度提高了120倍，我们预计今年通过CLOPS衡量的速度会再提高10倍。只有提高性能，我们才有机会获得量子优势。

实现量子优势的第二点是对这些机器进行编程。量子计算机中存在一些人为区分，即容错量子计算机 (FTQC) 或嘈杂中型量子 (NISQ)。我个人尽量远离标签，回到计算的意义。为了实现量子优势，我们需要运行没有任何有效经典方法来模拟的量子电路，以及使用这些电路的应用程序，这些电路可以为我们提供一个更便宜、更快或更准确的解决方案，而不是仅使用“唯一”经典方法。从长远来看，我们将需要纠错和容错，但是量子优势的第一个例子将通过使用错误缓解和智能方法将问题分解成更小的部分来实现，我们称之为电路编织。错误缓解是我们在2017年提出的一种方法，从那时起，该领域已经开发了扩展和想法，使其可以在更大的系统上运行，最近开始将错误缓解和纠错联系在一起。电路编织是一种想法，我们可以将一个大问题分解成更小的量子问题，然后使用经典方法将这些部分重新组合在一起以解决更大的问题，例如纠缠锻造、电路切割和电路嵌入。如果你问错误缓解和电路编织的共同点是什么，那就是量子计算和经典计算需要协同工作。为此，我们需要开发一种新的量子计算机编程方法。2016年，当我们第一次将量子计算机放到云端时，API是一个简单的电路API；从那时起，我们开发了Qiskit Runtime，这是一个API，允许用户建立运行时环境，允许简单的量子程序以快速的速率运行量子电路。接下来是Quantum Serverless，一种新的编程方法，允许开发人员或研究人员灵活地组合各种计算基础设施，例如量子处理器、CPU、GPU，甚至是其他专门构建的经典加速器。通过这项创新，开发人员或研究人员无需担心特定类型的计算基础设施，可以专注于使用电路编织或错误缓解的代码和程序应用程序。只有这样，我们才能拥有在不久的将来实现量子优势的工具。

最后，如果我必须猜测哪些应用将展示出量子优势，那很可能是模拟量子力学（化学、材料科学或高能物理）的问题，或者是处理经典计算机难以找到答案的数据结构的问题（机器学习、排名）。

Q：2021年底，Eagle QPU打破了100量子比特的障碍，这是一个令人印象深刻的进步。IBM的既定目标是将433量子比特的QPU Osprey推向市场，这似乎至少是一个巨大的挑战。Osprey需要哪些重大硬件改进？另外，也许您可以谈谈相关的量子网络技术和控制电路的进步，他们也会很重要？

在保持处理器性能的同时扩展量子处理器始终是量子硬件面临的最大挑战——对于任何硬件，不仅是超导量子比特。我们开发了一种称为敏捷硬件开发的程序。我们的系统是我们的核心系统和探索性系统。核心系统是我们经过反复迭代严格认证的，相信我们可以提供高性能和高可靠性的系统；探索性系统是我们专注于一些特定的新功能来推动和提高性能的地方。因为我们希望尽快为我们的客户带来最新的功能，所以我们提供两种类型的系统。截至今天，Falcon R5是我们的核心系统，我们正在努力让Eagle成为我们的下一个核心系统。我们所做的一些新功能包括一个新的处理器，以提高一致性（例如，Falcon R8/Hummingbird R3的一致性时间是以前Falcon/Hummingbird的两倍多），一个具有更快门的新架构（Falcon R10），速度更快读数以获得更好的CLOPS（Falcon R5），以及最后增加量子比特的数量以推动规模（Eagle和Osprey）。

在Osprey中，我们继续进行许多使Eagle成为可能的类似设备封装进步（多级布线和基板通孔），但我们必须设计新的信号传输类型，以提高I/O的工作密度，从而控制处理器的低温温度。与此同时，我们必须继续扩大控制电子设备的规模。控制电子设备在稳定性和噪声等领域的性能可能是一个相当大的规模问题，因此我们必须开发新的想法来提供适当的受控环境以有效运行。此外，如果我们的目标是未来系统的数百万个量子比特，那么电子设备的成本是扩展的一个重要因素。因此，通过使电子部件模块化、简化微波电路以及优化互连，我们预计能够为像Osprey这样的大型处理器生产出具有低噪声和高稳定性的可扩展控制电子系统。

此外，Osprey将成为我们引入IBM Quantum System 2的一部分，提供模块化的量子硬件系统架构，可简化未来的扩展并为量子数据中心奠定基础。

Q：在开发能够向潜在用户和开发人员社区隐藏量子计算复杂性的工具方面，我们付出了巨大的努力。该领域发生的关键进展是什么？您是否设想有这样一个时代，主流HPC应用程序（例如 AMBER/GROMACS（分子mod/sim））和数学应用程序（例如MATLAB/Mathematica）将简单地嵌入量子API，以便用户可以简单地选择一个量子选项？

我们的理念是量子计算的无差别开发。为了使量子计算成为现实，我们需要为三种不同类型的开发人员制作工具。内核、算法和模型。内核开发人员在量子设备级别工作并改进在量子硬件上运行的量子电路。这包括更好的脉冲设计、编译器、动态去耦、错误缓解和最终的量子纠错。我们将OpenQASM设计为该开发人员的中间表示语言，该开发人员将构建原始Qiskit Runtime程序供下一层开发人员使用。第二个是算法开发人员，他们致力于提高量子计算的核心能力，利用量子和经典计算算法并构建软件库。我相信量子无服务器将成为简化该开发人员工作的工具，并允许该开发人员同时使用HPC和量子来构建API和库以供下一层使用。第三个是模型开发人员，他们使用已经内置的库、函数和高级HPC应用程序开发量子应用程序。模型开发人员是使用量子计算解决问题的领域专家。模型开发人员将是大多数的量子计算用户，如果做得正确，他们不需要知道如何在量子电路级别进行编程来完成他们的工作。如果量子计算变得有用，那么应该无差别地提供量子服务。我可以想象嵌入在我们日常计算应用程序模块（例如MATLAB或AMBER）中的量子API，其中可以在单个计算环境中对经典和量子计算解决方案进行编程。

Q：您认为HPC将走向何方？您发现哪些趋势——尤其是新兴趋势——最引人注目？有什么是您担心的吗？

我的观点很简单，计算对于科学和商业的进步至关重要，而高性能计算是我们使用的工具。从硬件来看，我认为我们已经拥有以CPU为中心的超级计算机，今天我们看到以人工智能为中心的超级计算机出现，我预测，未来我们将拥有以量子为中心的超级计算机。HPC无服务器的趋势非常符合量子的发展方向，如果我们能够使量子无服务器成为现实，我认为拥有适用于所有工作负载的加速器的超级计算机是我们推动科学和技术向前发展所需的工具。

我认为随着我们开始了解基于边缘的工作负载的通信和存储之间的交叉点，这可以让我们走得更远。我们是否需要量子版本的边缘和/或分布式以量子为中心的超级计算机？我认为答案是肯定的，但这意味着我们需要了解量子网络、计算和存储如何在我们构建更大、更强大的机器时协同工作。这只能通过充满活力和活跃的量子研究人员和开发人员社区来完成。

Q：在专业领域之外，您能告诉我们关于您自己的什么——家庭故事、独特的爱好、最喜欢的地方等等？您有使您的同事可能会感到惊讶的地方吗？

我在澳大利亚昆士兰长大，经常进行冲浪和户外活动。从小我就想建造东西，要么成为木匠，要么成为机械师，但我在大学里我迷上了科学，总是发现自己在做我不懂的学科。为了放松，我不再冲浪，而是专注于冬天的滑雪板和夏天的皮划艇。为了好玩，我喜欢修复房子和建造简单的家具。我最近在纽约州北部购买了一座湖边小屋，所以我花了一些时间来布置它，让自己在户外放松一下。

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