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01. 十万量子比特设备提前数年到来
上周，IBM 更新了其量子计算路线图，这是自 2020 年发布第一个路线图以来的第三次更新（参阅：《IBM 2020年通往百万级量子计算机的技术路线图》、《IBM 2021年新量子路线图发布，2026或实现百万级量子比特量子计算》、《IBM 发布通往商用量子计算时代最新路线图，2025年交付4000-Qubit系统》）。在这个路线图中，IBM在堆栈的每一层都有效地引入了新的和必要的技术。
除此之外，它还为内核开发人员、算法开发人员和模型开发人员提供了新工具。然而，这些发展都需要新的硬件、软件和新架构。
该路线图表明，IBM 将通过开发有可能比预期提前数年扩展到数十万量子比特的量子处理器来加速量子的预期轨迹。
图｜IBM2020年9月发布的路线图（来源：IBM）
图｜IBM 2022年5月发布的路线图（来源：IBM）
如果 IBM 的路线图得以实施，它将改变量子计算的范式。十年前，以 CPU 为中心的超级计算是政府和研究人员解决大型复杂科学问题的专有领域。从那时起，它已被民主化，并转变为今天几乎每个行业都在使用的以人工智能为中心的各种类型的超级计算。
这个路线图是IBM创建一个新的量子处理器系列、软件和服务的计划，将导致下一代超级计算机的实现，即以量子为中心的超级计算机。量子处理器、CPU和GPU的综合资源有望解决一些世界上最具挑战性的问题。
02. 原计划不变，继续推出单芯片1121Q处理器
IBM 量子平台负责人 Blake Johnson 博士对讨论了 IBM 的新路线图及其对量子计算的长期影响。Johnson博士拥有广泛的量子背景。在加入 IBM 之前，是 Rigetti Computing 的量子工程副总裁，在 Rigetti 之前，是雷神公司BBN技术公司的高级科学家。于哈佛大学获得物理学学士学位，耶鲁大学获得物理学博士学位。
Johnson 博士表示，IBM 研究院正在开发四款新的量子处理器，计划于 2023 年、2024 年和 2025 年发布。IBM Quantum System 2 将提供支持其新处理器架构所需的基础设施。IBM 计划在 2023 年运行 IBM Quantum System 2 的原型。
虽然IBM已经安排了其新的量子处理器的发布，但它仍然计划发布之前路线图上显示的单芯片QPU。其中包括计划于今年晚些时候发布的 Osprey 433-Qubit 处理器和预计于 2023 年发布的 Condor 1121-Qubit 处理器。
在之前的路线图中，IBM 推出了 Qiskit Runtime，这是一个由经典系统和量子系统共同定位的运行时环境，旨在支持以速度和规模对量子线路进行容器化执行。本月早些时候，IBM 宣布了 Qiskit Runtime 的更新，为其配备了两个新的原语。原语是预定义的程序，可以轻松创建构建和定制应用程序所需的量子经典工作负载。
新的原语采样器和估计器，优化了将代码发送到量子计算机的方式。采样器生成输出，通过对量子线路进行采样来帮助确定计算的解决方案。Estimator 是一个程序接口，用于估计量子算子的预期值，以便用户可以计算和解释许多算法所需的预期量子算子值。
2023 年，IBM 将提供在并行量子处理器上运行的额外原语，以获得应用程序加速。在高层次上，Quantum Serverless 允许弹性经典计算与量子的灵活组合，而 Primitives 作为量子经典接口。
03. 全新模块化架构，量子芯片可扩展到任意大小
IBM 的最新路线图引入了一种全新的模块化架构，与现有的量子处理器系列所使用的架构大不相同。新架构将量子处理器连接到通用控制基础设施，以便数据可以在多芯片环境中的 QPU 和其他芯片之间进行经典的实时流动。
此外，它还采用了全新的多量子比特门方案，速度更快，保真度更高。
图｜连接到控制器的 Heron 量子处理器（来源：IBM）
2023 年，一个名为Heron的新的133-Qubit QPU将成为IBM第一个使用新架构的处理器。上图说明了如何使用经典耦合器将多个 Heron 处理器链接在一起以实现经典并行化。
Johnson 博士表示，多芯片 Heron 配置可根据需求和应用要求进行扩展。我们相信这是一个可扩展的架构，通过使用经典的量子硬件并行化，可以扩展到我们想要的任何大小。
04. 扩展量子比特，但不降低门速度和保真度
量子硬件的模块化设计、经典耦合和并行化都是设计以量子为中心的超级计算机的基本要素。
2023 年，IBM 的路线图开始通过引入短程和长程量子耦合技术为其长期目标奠定基础。耦合器允许量子比特在逻辑上进行扩展，而无需制造更大的芯片。这适应了增加的输入-输出密度，否则需要让更多的信号输入和输出系统。
耦合方案要求每个量子比特的线数相同，但耦合器会扩大占用空间，这样就不会把更多的导线塞进相同的物理空间。
短程耦合器使用芯片到芯片的并行化，在多个芯片之间扩展IBM的重六网格。它通过创建一个更大但合乎逻辑的芯片有效地扩展了量子比特。最重要的是，扩展后的逻辑芯片的门速度和门保真度不影响性能，因为与单个芯片大致相同。
远程耦合器使用电缆连接多个独立模块，从而可以在量子处理器之间共享量子信息。IBM估计这种链接将比短程芯片对芯片的耦合要慢一些，保真度要低一些，然而，可以通过编程调整来适应这种差异。长距离耦合的好处之一是，它允许模块分离以获得额外的输入输出空间。
05. 从单芯片 QPU 过渡到多芯片 QPU
现有的 IBM 量子处理器是单芯片设备。2024 年，IBM 将推出其首款名为 Crossbill 的多芯片处理器，这是一款 408-Qubit量子处理器，展示了短程耦合的首次应用。
2024年，IBM在开发Crossbill的同时， 还将开发一款名为 Flamingo 的 1386+ Qubit 量子处理器，这是第一个使用远程耦合的 QPU。除此之外，IBM 还将展示使用三个链接连接的 Flamingos 并行量子处理器。
2024年开发的量子技术将为下一代量子处理器铺平道路，使其能够使用多个芯片扩展到数十万个量子比特。
图｜Kookaburra，多芯片量子处理器的量子并行化（来源：IBM）
2025 年，IBM 将使用前几年开发的技术来创建一个名为 Kookaburra 的 4158+ Qbit 量子处理器。它将是第一个使用芯片到芯片短程和远程耦合器组合的处理器。
展望 2025 年之后，耦合技术将开始解决大多数近期的扩展问题。如量子处理器Heron 所示，系统可以通过经典的并行性连接在一起，使用多个模块的芯片到芯片链接或通过长距离耦合扩展单个单元的大小。
06.动态电路部署
图｜IBM 动态电路（来源：IBM）
与之前的路线图一样，今年的路线图也显示了与相应硬件目标相关的软件层。尽管动态电路于 2021 年首次公布，但经过进一步开发，IBM将在今年晚些时候有选择地在探索性系统上部署该技术。
动态电路是一项强大而重要的技术，它可以：
扩展硬件功能，减少电路深度
允许考虑量子计算的替代模型，例如与标准门阵列模型对比的测量模型
在使用依赖于实时经典数据的奇偶校验的量子纠错码中发挥基本作用
动态电路的使用本质上创建了一个更广泛的电路系列，利用测量和计算及管理的优势，允许未来的状态被改变或被电路执行期间的中间测量结果所控制。
07. QS集成到核心软件栈，电路编排由难到易
图｜电路编排（来源：IBM）
2023 年，IBM将开始开发更多的弹性计算和Qiskit Runtime并行化的强化应用。
对于算法开发者来说，创建和运行许多小的量子和经典程序要比一个大程序容易得多。IBM正在将Quantum Serverless （QS）集成到其核心软件栈中，以实现电路编排，允许大型量子线路通过分割成较小的线路并在量子资源上分配来解决。编排的线路可以通过使用经典CPU和GPU的协调解决方案来重新组合。
必要的硬件和软件应在 2023 年到位，允许模型开发人员开始为特定用例设计软件应用程序原型。根据路线图，机器学习将是第一个案例。展望 2025 年，IBM 计划扩展应用程序，包括优化、自然科学等。
08. 未来挑战
如果要实现构建以量子为中心的超级计算机的最终目标，IBM 必须在其路线图中解决几个挑战：
（1）扩展动态电路的使用将难以实施，因为该技术需要堆栈内的多个创新元素。动态电路需要控制系统，允许数据以足够低的延迟移动，以便能够实时处理。IBM 必须设计第三代控制系统来满足新路线图创建的低延迟要求。
（2）根据Johnson 博士的说法，还需要一种新语言，允许用户描述实时经典计算与量子门的组合。IBM正在领导一项工作，在更广泛的量子社区的协助下，开发一个OpenQASM 3电路描述语言，用于描述新电路。
（3）IBM 还需要新的编译器技术将 OpenQASM 3 电路转换为允许其在控制系统上运行的形式。IBM 已经在努力解决这个问题。它正在从头开始构建一个新的编译器。
（4）大量研究表明，超导量子比特正走在通往容错量子计算的可行道路上。但是，要实现容错还需要几年的时间。同时，如路线图所示，量子错误将通过错误抑制和错误缓解来处理。在 2026 年之后的几年里，如果 IBM 想要成功地扩展到数十万个量子比特，那么它必须具备量子纠错功能，才能打造出这么大的量子机器。否则，将不能实现长期目标。
IBM能执行其雄心勃勃的路线图并建造一台量子超级计算机吗？我们持适当的怀疑态度。然而，历史表明，IBM 已按时实现了其过去的所有路线图开发目标。其中包括 2021 年最重要的硬件目标之一，Eagle 127-Qubit 处理器，这是第一个将量子计算置于经典计算机模拟范围之外的处理器（参阅：如约而至，IBM 127-Q量子处理器问世）。此外，Qiskit Runtime 于 2021 年实施，在量子运行时实现了 120 倍的加速。
09. 详解路线图
图｜IBM 2022年5月发布的路线图（来源：IBM）
IBM未来的工作将继续关注量子比特的扩展、提高质量和最大限度地提高量子线路的速度。其路线图中的每块技术都是整体协调发展中的一个可衡量的关键步骤，如果执行得当，将使IBM实现其构建具有数十万量子比特的量子处理器的最终目标。
Qiskit Runtime和Runtime原语将继续在IBM的未来计划中发挥重要作用，预计它将在未来某个时候把速度从现在的120倍提高到20万倍。
2023年，IBM将部署其最后一个单芯片量子处理器，即1121-Qubit的Condor。同时，还将部署三项关键技术，构成其整体计划的基础。这些技术包括一个全新的量子计算架构和两个关键的扩展元素：一个短程芯片到芯片的耦合器和一个长程耦合器。
第一个多芯片处理器，称为Crossbill，有408个量子比特，将于2024年推出。这一步探索了增加量子处理器的尺寸，使其超过单芯片的面积限制的道路。
一年后，即 2025 年，IBM 技术计划的几乎所有部分都以 4158+ Qubit 量子处理器的形式结合在一起，称为 Kookaburra（量子比特数后面的“+”意味着IBM相信它可以将这个处理器扩展到它认为对应用有必要的任何数量的量子比特）。虽然每个新的量子处理器对整体路线图都很重要，但 Kookaburra 似乎是 IBM 未来几代量子处理器的基石。在之前的路线图中，Condor 看起来像是未来的架构。
到 2026 年，拥有大量量子比特的量子计算机最终应该能够解决一系列远远超出经典计算机能力的有用问题。
根据过去的经验，对于IBM而言，但凡是展示在路线图上的目标，IBM 要么坚信它是可行的，要么已经完成但尚未宣布。让我们共同期待2026年，这非比寻常的一年。
[1]https://newsroom.ibm.com/2022-05-10-IBM-Unveils-New-Roadmap-to-Practical-Quantum-Computing-Era-Plans-to-Deliver-4,000-Qubit-System
[2]https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/
[3]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/05/18/ibms-newest-quantum-computing-roadmap-unveils-four-new-quantum-processors-and-future-plans-for-a-quantum-supercomputer/?sh=1ca3263b7eb
[4]https://www.forbes.com/sites/moorinsights/2022/05/02/ibm-creates-significant-competitive-advantages-with-qiskit-runtime-updates/
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