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IBM 公布量子-經典高性能計算藍圖

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IBM 公布量子-經典高性能計算藍圖

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當商用化、可規?；?、具備容錯能力的量子計算時代真正到來、實現廣泛普及之時 ， 至少在初期 ， 它將以云服務的形式存在 ， 并與強大的傳統超級計算機深度融合；量子計算會成為類似加速器的計算節點 ， 與 CPU、GPU 協同運行 ， 承接傳統硬件難以勝任的超復雜計算任務 。
如今 ， 越來越多高端計算領域的行業巨頭 ， 以及中小型廠商與初創企業 ， 都在逐步搭建技術框架 ， 推動這類融合系統實現穩定運行 。 正如我們去年所述 ， 為持續擴張的人工智能市場提供核心算力支撐的英偉達 ， 已開始為其產品新增高性能計算（HPC）與量子計算互聯的相關能力 。 例如 ， NVQLink是用于連接傳統超算與量子系統的高速互聯協議 ， 而CUDA-Q則是英偉達推出的量子 - 經典融合計算平臺 。
近期 ， 初創企業 Quantum Elements通過人工智能與數字孿生技術相結合 ， 加速商用化容錯量子計算的落地進程；而Quantum Machines本周發布了開放式加速堆棧框架 ， 面向希望將任意傳統計算流程集成至量子控制堆棧的用戶 。 該公司聯合創始人兼首席技術官約納坦?科恩表示：“這標志著行業正從量子計算演示階段 ， 轉向規?；渴鹋c系統融合階段 。 它滿足了量子技術發展兩大核心需求：實時糾錯與高級量子比特校準 ， 同時在兼顧用戶體驗與性能的前提下 ， 為軟硬件規?；卣勾罱丝蚣?。 ”
量子 - 經典融合系統的必要性
量子計算與高性能計算融合的構想已被探討多年 。 超導量子處理器初創企業QuantWare指出：“隨著傳統計算與量子計算的邊界日益模糊 ， 行業正形成統一愿景：未來高性能計算將走向異構架構 ， 量子計算會成為現有計算體系中又一重要‘工具’ 。 ”
這一議題甚至上升至國家安全層面 。 美國戰略與國際研究中心（CSIS）本月發布報告稱：“將量子計算機融入美國頂尖超級計算系統 ， 已是美國在下一時代計算領域保持技術領先的戰略要務 。 盡管美國在超級計算與量子計算領域均處于領先地位 ， 但在量子 - 超算混合系統研發上 ， 已落后于歐洲與日本 。 ”
藍色巨人的技術藍圖
IBM 本月公布了一套參考架構 ， 企業高管稱其為行業提供了量子與傳統計算融合、實現任務協同運行的技術路線圖 ， IBM 將其命名為量子中心超級計算（QCSC） 。 IBM 院士兼量子中心超級計算首席技術官Jerry Chow向表示 ， 該架構是“未來計算的藍圖 ， 同時兼顧與現有技術的兼容性和互補性” 。

“量子計算與高性能計算必須深度融合 ， 目前已有諸多機構在數據中心內部署相關設備 。 我們希望明確劃定技術方向 ， 從技術層面展示異構計算的實現路徑 —— 讓量子處理器與 GPU、CPU 在高性能計算平臺中實現互操作、通信、統一調度 ， 并面向終端應用完成編程 。 ”

據 IBM 科學家介紹 ， 這份在研究論文中詳細闡述的參考架構分為多層 ， 以硬件基礎設施為根基 ， 而硬件層又劃分為三個層級 ， 各層級具備獨立計算能力、互聯方案與物理部署位置：
?底層：量子系統 ， 包含傳統運行時環境與一臺或多臺互聯量子處理器（QPU）；運行時環境由專用傳統加速器（FPGA、ASIC）與 CPU 組成 ， 負責支撐量子處理器的各項操作 ， 涵蓋糾錯編碼、量子比特校準、主動重置等 。
?第二層：與量子系統就近部署的可編程 CPU、GPU 系統 ， 通過低延遲近實時互聯協議連接 ， 包括融合以太網遠程直接數據存?。 ≧OCE）、超以太網、NVQLink 等 。
?第三層：合作伙伴的橫向擴展系統 ， 可部署于云端或本地機房 。
基礎設施之上為調度層 ， 包含量子資源管理接口（QRMI）—— 這是一個開源庫 ， 可屏蔽硬件底層細節 ， 提供量子資源獲取、任務執行、系統監控的應用程序接口 。 此外還有應用中間件（實現量子與傳統編程模型的通信）與應用軟件 。
“CPU 以二進制編碼處理信息 ， GPU 依托張量運算 ， 而量子處理器的編程模型則基于量子電路 。 將現有求解器升級為量子中心超級計算求解器 ， 需要搭建應用層 ， 讓計算庫將任務拆解為可在不同環境中運行的模塊 。 該層實現了傳統計算庫與量子計算庫的協同 ， 依托傳統算力完成量子任務的預處理、優化與后處理 ， 生成適配特定應用領域的量子電路 。 ”
Jerry Chow表示 ， IBM 早已開展量子與傳統計算融合的探索 ， 通過與克利夫蘭醫學中心基于量子中心超級計算工作流的合作研究發現 ， 量子計算在物理、化學領域的計算能力已可與傳統計算相媲美 。 IBM 還與日本理化學研究所（RIKEN）及其富岳超級計算中心合作 ， 完成了該參考架構的早期部署驗證 。
“整體而言 ， 該架構以算力在時間或空間上的緊密耦合為核心方向 ， 展示了多種應用場景 。 我們希望通過架構的持續演進指引行業發展 ， 這并非唯一終極架構 ， 而是逐步實現算力更深度耦合的技術路徑 。 長遠來看 ， 隨著核心應用領域的算法、程序庫不斷拓展 ， 我們將推動系統協同設計 ， 實現規?；瘮U展 。 ”
IBM 還發布了時間線 ， 規劃了未來數年量子 - 傳統計算融合的技術演進路徑 。

Jerry Chow稱 ， 另一項關鍵時間節點同樣意義重大：該參考架構的核心技術支撐 ， 首先來自 2023 年發布的蒼鷺（Heron）133~156 比特超導量子芯片 ， 以及 2025 年 11 月推出的Nighthawk 120 比特量子芯片 。

他表示 ， Nighthawk芯片讓 IBM “實現了部分量子電路的算力超越傳統計算機的精確模擬極限” 。 “這一芯片成為眾多用戶開展前沿探索的試驗場 ， 研究重心不再局限于器件本身 ， 而是轉向基于量子處理器的科研實踐 。 其中核心問題便是：如何讓量子算力與用戶日常使用的傳統算力協同工作？”
他強調 ， 量子計算不會完全取代傳統計算基礎設施 ， 正如 CPU 與 GPU 協同工作一樣 ， 量子處理器將成為計算架構中的重要組成部分 。
【IBM 公布量子-經典高性能計算藍圖】“從算法角度而言 ， 要讓各類加速器在其擅長的領域發揮最大價值：用 CPU 處理靜態批處理任務 ， 用 GPU 完成矩陣與張量運算 —— 這一分工不會改變；而量子電路 ， 即依托量子糾纏、疊加態實現的量子計算語言 ， 則交由量子處理器完成 。 算法層面的核心挑戰 ， 在于如何最優調度各類算力 。 當下令人振奮的是 ， 借助這類混合計算模型與參考架構 ， 行業已開始探索如何最大化發揮各類算力的價值 。 ”

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