IBM 概述了高性能环境中量子超级计算的新架构

IBM推出了一种连接量子超级计算与经典高性能系统的参考架构，以加速科学发现和复杂模拟。

IBM发布首个量子为中心的超级计算蓝图

IBM公布了被称为行业首个量子为中心的超级计算参考架构，详细说明了量子处理器如何与现代超级计算环境紧密集成。公司认为，随着量子硬件向实际应用迈进，这种统一的方法将变得至关重要。

目前，量子计算机正朝着对复杂量子系统的有用模拟方向发展。此外，新兴的混合量子-经典算法已在化学和材料科学等领域产生了有意义的成果，这些领域中量子力学起着核心作用。

然而，它们解决重大科学难题的能力仍然受限。主要障碍在于它们与现有经典高性能计算基础设施的隔离，而后者仍依赖手动数据传输和量子与经典系统之间的临时协调。

整合量子、GPU和CPU资源

为弥补这一差距，IBM提出了一种架构，将量子处理器（QPU）与GPU和CPU结合，覆盖本地集群、国家研究中心和云平台。该模型旨在让不同的计算技术协作处理超出任何单一系统能力的问题。

该蓝图创建了一个统一的计算环境，将量子硬件与包括CPU和GPU集群、高速网络和共享存储在内的经典资源融合。此外，这一组合旨在支持密集型工作负载和算法开发，同时简化在生产规模工作流程中使用量子处理器与GPU的操作。

实际上，该设计旨在简化量子-经典工作流程的编排，使科学家无需手动管理处理器之间的数据传输。尽管如此，该架构仍依赖于强大的中间件和软件抽象，以隐藏底层复杂性，方便最终用户使用。

三阶段集成系统路线图

IBM科学家描述了实现完全集成的量子-经典系统的三阶段路线图，支持端到端的科学工作流程。第一阶段侧重于在高性能计算环境中部署QPU加速器，使量子处理器作为专用加速器附加在现有超级计算机上。

第二阶段，IBM设想实现中间件支持的异构平台，抽象系统复杂性。这些平台将允许开发者将量子、CPU和GPU资源视为单一逻辑系统的组成部分，而非必须单独管理的孤立机器。

最终，第三阶段目标是从零开始设计的完全协同优化的量子-经典系统，支持完整的工作流程。在此阶段，量子计算与超级计算将紧密耦合，根据性能和精度需求动态划分工作负载。

软件栈与开发者访问

基于此基础，IBM计划支持跨越量子与经典计算的协同工作流程。公司强调集成编排和开源软件框架是架构的关键组成部分。

特别是，IBM指出Qiskit开源软件框架为开发者和科学家提供了使用熟悉工具访问量子能力的途径。此外，通过标准接口暴露量子资源，IBM期望在化学、材料科学和复杂优化等领域推动更广泛的应用。

该公司认为，随着时间推移，这一生态系统有望实现可扩展的量子超级计算化学模拟和其他高要求工作负载。然而，实现这一愿景仍依赖于量子硬件和经典基础设施的持续进步。

科学影响与长远愿景

IBM高管将此努力视为迈向超级计算和量子计算新时代的一步。公司表示，目标不是取代经典机器，而是将它们的优势与量子硬件的潜能结合，形成一个协调的架构。

“当今的量子处理器开始应对科学难题中最困难的部分——由量子力学控制的化学问题，”IBM研究主管兼IBM Fellow Jay Gambetta表示。他强调，这一进展已在早期研究项目中有所体现。

“未来在于量子超级计算，量子处理器与经典高性能计算协作，解决过去难以触及的问题。IBM正在构建实现这一未来的技术和系统。”他补充道。

总体而言，IBM的参考架构旨在为量子与经典资源的结合提供明确的技术路径，使公司在新兴的量子为中心的超级计算领域占据核心位置。