IBM率先採用“以量子爲中心的超級計算”開展科學研究

近日，IBM在首屆IBM量子開發者大會上登臺展示了量子計算硬件和軟件的最新進展。

在此次活動中，IBM展示了最先進的IBM Quantum Heron計算機是如何以比以前更高的精度和速度執行復雜的量子算法，同時爲進行高級分子模擬的新方法鋪平了道路。

IBM被廣泛認爲是量子計算可行性競賽中的領導者之一。IBM表示，改進之後的IBM Heron處理器現在可以準確運行具有多達5000個雙量子位門操作的量子電路，這幾乎是IBM一年前首次發佈基於Heron的量子處理器時準確運行門數量的2倍（門是促進量子算法運行的基本邏輯元素）。

IBM Heron是IBM公司最先進的量子處理器，具有133個量子比特的計算能力。它是IBM全球量子計算服務的基礎，科學家和研究人員可以通過IBM的雲數據中心訪問該服務，以解決化學、材料研究、生命科學、高能物理等領域的問題。

據IBM稱，不僅改進了Heron本身，還改進了底層的Qiskit軟件開發工具包，開發人員可以使用該工具包將傳統代碼轉換爲量子計算機可以理解和處理的量子電路。IBM表示，這些改進使他們能夠比原始Heron量子處理器快50倍地處理複雜的模擬，執行實用性實驗所需的時間從2023年的112小時縮短到現在僅2.2小時。

IBM Quantum副總裁Jay Gambetta表示，Qiskit現在是世界上性能最高的量子軟件，他引用了使用開源基準測試工具Benchpress收集的結果，這些結果表明，Qiskit在1000多次測試中遠遠超過了其他量子SDK。

“IBM Quantum硬件和Qiskit的進步使我們的用戶能夠構建新算法，其中先進的量子和經典超級計算資源可以結合在一起，以結合各自的優勢，”他說。

分子研究的新方法

此外IBM表示，一直在和各種科學研究組織合作，以進一步利用量子和經典系統這種多管齊下的計算方法。

日本理化學研究所（RIKEN）和克利夫蘭診所基金會等組織正在使用IBM改進的系統來探索使用量子算法來解決化學中基本電子結構的問題。

據IBM稱，正在開創一種新的“以量子爲中心的超級計算”方法，來模擬以前不可能實現的複雜化學和生物過程。以前，人們認爲這種類型的模擬只能使用容錯量子機來執行。

但IBM表示，他們已經展示瞭如何將量子計算機與強大的經典系統集成，以執行並行工作負載，每個架構解決建模過程中使用的不同算法部分。IBM表示，它們分別執行算法，然後將結果重新組合在一起，從而可以運行任何一種架構都無法獨立處理的模擬。

例如，日本理化學研究所與IBM量子研究人員展開合作，在以量子爲中心的超級計算環境中執行“基於樣本的量子對角化”，以模擬硫化鐵的電子結構。與此同時，克利夫蘭診所使用類似的技術來模擬“非共價相互作用”——即對各種生物、化學和製藥過程至關重要的分子之間的鍵。IBM表示，這是未來藥物發現的一個重要研究領域。

克利夫蘭診所首席研究信息官Lara Jehi表示：“我們正在利用Qiskit等尖端技術突破傳統科學界限，推動研究發展，爲全球患者尋找新療法。”

IBM Qiskit中的擴展功能

IBM不僅專注於性能，還努力擴展量子計算服務的靈活性。除了新的基準之外，IBM還宣佈推出了各種新的Qiskit服務，這些服務可以提供生成式AI功能，以及合作伙伴開發的新軟件。

例如，新的Qiskit Transpiler Service服務可以幫助開發人員更好地優化量子電路，以便在量子硬件上運行AI工作負載。然後，他們可以將其與新的Qiskit Code Assistant結合，爲IBM Granite系列大型語言模型生成量子代碼，從而創建利用IBM量子硬件的、更強大的生成式AI應用。

其他新服務還包括Qiskit Serverless，可以在量子計算機和經典計算機系統上運行以量子爲中心的超級計算方法。在IBM Qiskit Functions Catalog中，研究人員可以訪問來自Algorithmiq和Q-CTRL等合作伙伴的其他服務，以簡化量子噪聲性能管理並抽象出其他的複雜性。

Constellation Research分析師Holger Mueller表示，IBM憑藉Heron平臺已經被視爲量子計算硬件領域的領導者，目前正致力於在量子軟件領域取得同樣的成就。

他說：“IBM正在把重點更多地轉向量子計算軟件，這就是它舉辦首屆年度量子開發者大會的原因，Qiskit當然是這次大會的明星，它提供了一個堅實的框架來創建量子應用，而且隨着Functions Catalog的加入，它將變得越來越強大，使構建這些應用變得越來越容易。”