与JayGambetta的QA：IBM与量子计算

最近，HPCwire展示了对IBM研究员兼Quantum副总裁Jay Gambetta以及HPCwire 2022的著名人物的采访很少有公司像IBM一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，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宣布扩大其路线图，要求在2025年之前提供一个新的1386量子位处理器——笑翠鸟——和一个由三个相连的笑翠鸟处理器构建的4158量子位系统Gambetta分享了他对扩展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

以下是Qamp一项记录:

问:你说2023年将是我们获得更广泛量子优势的一年你能详细说明这个想法，并提供一些你认为将在2023年在生产环境中的量子计算机上开始运行的应用程序的例子吗况且这些早期量子应用的性能会比经典应用好多少

我们的目标是尽快实现量子优势我不喜欢过分关注某个具体项目的日期，而不考虑整个路线图使之成为可能为了实现量子优势，我们需要提高处理器的性能，更好地理解如何处理错误，并对量子计算机进行编程

从业绩来看，主要通过规模，质量，速度三个指标来衡量比例是处理器中可操作量子位的数量我们已经拟定了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，以显示更大规模的道路，质量是衡量运行量子电路的量子处理器质量的一个指标我们已经证明，按照量子数，质量每年至少可以翻倍速度是指量子电路在我们的机器上运行的速度去年，我们的速度提高了120倍，我们预计今年由CLOPS测量的速度将再提高10倍只有提升性能，才有机会获得量子优势

实现量子优势的第二点是给这些机器编程量子计算机中有一些人工区分，即容错量子计算机或噪声介质量子我个人尽量远离标签，回归计算的意义为了实现量子优势，我们需要在没有任何有效的经典方法来模拟的情况下运行量子电路，以及使用这些电路的应用，这些电路可以为我们提供更便宜，更快或更精确的解决方案，而不是仅仅使用只有经典方法从长远来看，我们将需要纠错和容错，但量子优越性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为更小的部分来实现，我们称之为电路编织误差缓解是我们在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，使其在更大的系统上运行，最近开始将错误缓解与错误纠正联系起来电路编织是一个想法我们可以把一个大问题分解成更小的量子问题，然后用经典的方法把这些部分重新组合起来解决更大的问题，比如纠缠锻造，电路切割，电路嵌入如果你问错误缓解和电路编织有什么共同点，那就是量子计算和经典计算需要协同工作因此，我们需要开发一种新的量子计算机编程方法2016年，我们刚把量子计算机放到云端的时候，API是简单的电路API，此后，我们开发了Qiskit Runtime，这是一个API，允许用户构建运行时环境，并允许简单的量子程序快速运行量子电路接下来是Quantum Serverless，这是一种新的编程方法，允许开发人员或研究人员灵活地组合各种计算基础设施，如量子处理器，CPU，GPU，甚至其他专门构建的经典加速器通过这一创新，开发人员或研究人员可以专注于使用电路编织或错误缓解的代码和程序应用，而不必担心特定类型的计算基础设施只有这样，我们才能在不久的将来拥有实现量子优势的工具

最后，如果非要我猜哪些应用会显示出量子优势，那很可能是模拟量子力学的问题，或者是处理经典计算机找不到答案的数据结构的问题。

问:在Q:2021年底，鹰QPU打破了100量子位的障碍，这是一个令人印象深刻的进步IBM的既定目标是向市场推出433量子位的QPU鱼鹰，这似乎至少是一个巨大的挑战鱼鹰需要哪些重大的硬件改进另外，也许可以谈谈相关量子网络技术和控制电路的进展它们也很重要吗

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mdash面临的最大挑战，mdash对于任何硬件，不仅仅是超导量子位我们开发了一个叫做敏捷硬件开发的项目我们的系统是我们的核心系统和探索系统系统的核心是经过我们反复迭代严格认证的，我们相信可以提供高性能高可靠性的系统，探索性系统是我们关注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，我们正在努力使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提高一致性的新处理器，具有更多快门的新架构，更快的读取速度以获得更好的clop，以及最终增加量子位的数量以驱动规模

在Osprey中，我们继续进行许多类似的设备封装进步，使Eagle成为可能，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音等方面的性能可能是一个相当大的问题，因此我们必须开发新的理念，为有效运行提供适当的受控环境此外，如果我们的目标是未来系统中的数百万量子位，那么电子设备的成本是扩展的重要因素因此，通过电子元件的模块化，微波电路的简化和互连的优化，我们期望能够为鱼鹰这样的大型处理器生产低噪声，高稳定性的可扩展控制电子系统

此外，鱼鹰将是我们引入IBM量子系统2的一部分，提供模块化的量子硬件系统架构，可以简化未来的扩展，为量子数据中心奠定基础。

问:我们已经做了很大的努力来开发工具，可以对潜在用户和开发人员隐藏量子计算的复杂性这一领域的主要发展是什么你想象有一个时代，主流HPC应用)和数学应用(如MATLAB/Mathematica)将简单地嵌入quantum APIs，以便用户可以简单地选择一个quantum选项

我们的想法是量子计算的无差别发展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，改进运行在量子硬件上的量子电路这包括更好的脉冲设计，编译器，动态解耦，错误缓解以及最终的量子纠错我们将OpenQASM设计为这个开发人员的中间表示语言，他将构建原始的Qiskit运行时程序，供下一层开发人员使用二是算法开发者，致力于提高量子计算的核心能力，使用量子和经典计算算法，构建软件库相信quantum serverless会是一个简化开发者工作的工具，让开发者可以同时使用HPC和quantum来构建下一层的API和库第三种是模型开发人员，他们利用内置的库，函数和高级HPC应用来开发量子应用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者将是量子计算的大多数用户如果他们做的正确，他们不需要知道如何在量子电路层面编程来完成他们的工作如果量子计算变得有用，就应该无差别地提供量子服务我可以想象量子API嵌入到我们的日常计算应用模块中，其中经典和量子计算解决方案可以在单个计算环境中编程

问:您认为HPC将走向何方你发现什么趋势mdashmdash尤其是新兴趋势mdashmdash最抢眼你有什么担心的吗

我的观点很简单计算对于科学和商业的进步至关重要，高性能计算是我们使用的工具从硬件的角度来看，我认为我们已经拥有了以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的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无服务器的趋势符合quantum的发展方向如果我们能够让量子无服务器成为现实，我认为带有适合所有工作负载的加速器的超级计算机是我们推动科学技术向前发展所需的工具

我认为，伴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集，这可以让我们走得更远我们需要量子版的边缘和/或分布式的以量子为中心的超级计算机吗我认为答案是肯定的，但这意味着我们需要理解当我们建造更大更强大的机器时，量子网络，计算和存储是如何协同工作的这只能通过一个充满活力和活跃的量子研究人员和开发人员社区来实现

问:在你的专业领域之外，你能告诉我们一些关于你自己的事情吗mdash故事，独特的爱好，喜欢的地方等有什么可能让你的同事惊讶的事情吗

我在澳大利亚昆士兰州长大，我经常冲浪和做户外活动我从小就想造东西，要么当木匠，要么当机械师，但大学时对科学很着迷，总是发现自己在做自己不懂的课题为了放松，我停止了冲浪，而是在冬天专注于单板滑雪，在夏天专注于皮划艇为了好玩，我喜欢修理房子和制作简单的家具我最近在纽约北部买了一个湖边小屋，所以我花了一些时间装饰它，并在户外放松自己

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