近年来,量子计算逐渐从理论研究走向实际应用,成为科技界最具前瞻性和潜力的领域之一。IBM作为量子计算领域的先驱,与全球知名芯片制造商AMD达成合作,共同推动混合经典-量子超级计算机的发展。这种合作不仅汇聚了量子计算和传统计算的优势,也为解决复杂科学和工程问题开辟了新的道路。传统的经典计算机,多年来依赖冯·诺依曼架构和不断提升的处理器性能,支撑起全球科技创新的基础。而量子计算则凭借量子比特的叠加与纠缠特性,在处理某些特定问题上具备指数级的计算优势。结合这两种计算方式的混合系统,既能利用量子计算高效模拟复杂分子和物理系统,又能借助经典计算进行强大的数据处理和算法支持,大大提升整体的计算效能与应用广度。
IBM量子计算项目历经多年沉淀,在量子硬件和软件的开发上均处于世界领先地位。其最新发布的量子Heron系统搭载156量子比特,超越了目前任何超级计算机可模拟的规模,这标志着实现真正功能性量子计算机的重要一步。然而,量子计算机天生对周围环境极为敏感,如何维持其量子态的稳定、减少误差成为核心挑战。为了克服这一难题,量子计算机系统需要大量的经典计算资源来协助进行量子误差校正、状态维护及算法协同运算。AMD作为全球顶尖的半导体制造商,在高性能CPU和GPU领域拥有深厚技术积累。近年通过收购FPGA巨头Xilinx,AMD不仅巩固了在数据中心的地位,也在可编程逻辑及加速计算方面取得突破。
AMD的CPU、GPU与FPGA结合,为辅助量子计算机实现稳定运行和高效计算提供了坚实基础。 IBM与AMD签署的谅解备忘录,主要聚焦于联合研发混合经典-量子算法,通过密切合作实现量子计算与经典HPC(高性能计算)及AI计算的无缝集成。正如IBM所强调,任何有效的量子计算应用都离不开经典计算的支持,二者是共生共赢关系。在实际应用中,例如针对复杂化学反应和材料科学的模拟,量子计算可以高效处理量子态的演算,而经典计算集群则负责从模拟结果中提取、分析庞大数据集。这种"量子模拟+AI数据分析"的模式,大大缩短了计算时间,提高了结果的准确性和实用性。 回顾历史,自2008年"Roadrunner"超算问世以来,IBM与AMD就有过多次合作。
那时,IBM的PowerXCell加速器和AMD的Opteron处理器共同打造了首台突破1.7拍(petaflops)计算性能门槛的超级计算机。如今,借助AMD强大的Epyc CPU和Instinct GPU产品线,结合其领先的FPGA技术,IBM看重的不仅是硬件资源,更是AMD在数据中心和高性能计算领域积累的专业经验与创新能力。正如AMD高级研究负责人Ralph Wittig所言,AMD不打算自行制造量子处理器,但渴望与强大的量子计算伙伴携手攻克科学难题,推动产业发展。 混合经典-量子计算的应用前景广阔,不仅局限于科研领域,产业界也有极大需求。当前许多计算问题本质上属于"多体问题",无论是复杂分子结构预测、药物设计,还是气象模拟与金融风险分析,传统超级计算机需采用近似方法且计算耗时长。而引入量子计算后,不但能以更贴近物理本质的方式进行模拟,还能实现指数级加速。
IBM与日本RIKEN实验室的合作便是典范,他们将156量子比特的Heron系统与具备1.42亿亿次运算能力的富岳超级计算机结合,用以化学模拟。这种规模的量子计算机是目前任何超级计算机都无法模拟的,这标志着量子计算实用化迈出坚实一步。 技术层面,量子计算对微波射频调制有极高要求,Xilinx FPGA配备射频模块,用于精确操控量子比特状态,避免量子信息的退相干。这也是为什么AMD收购Xilinx,能为IBM量子系统提供技术支持,推动量子计算机融合传统计算架构的关键所在。未来,量子系统将越来越多地依赖于多种类型的计算引擎协同工作,形成一种多模态、多加速器混合体系,以满足海量数据处理和复杂算法运算的双重需求。 从应用角度看,IBM量子副总裁Scott Crowder明确指出,没有完全依赖量子计算的孤立算法。
绝大多数量子计算工作流是结合经典计算子程序和量子计算子程序的复合体系。在混合模式下,不仅能够显著缩短计算时间,而且在精度方面正在快速追赶甚至超越传统近似方法。例如,富岳超算在一些密度矩阵重整化(DMRG)化学模拟中需要八小时完成,而混合量子计算模式下,仅需12分钟Heron系统运行时间及少量经典计算即可完成,整体时间缩短超过四倍。虽然当前量子-经典混合方法的精度仍稍逊于经典近似计算,但技术迭代快速推进,预计18个月内可实现量子混合方法的精度超越,这对于很多科学研究和工业应用意义重大。 从产业格局看,目前量子计算硬件仍处于发展早期,IBM专注量子硬件研发,而AMD提供强大经典计算能力和技术支持,两者优势互补,合力攻克混合计算的诸多难题。与此同时,NVIDIA也瞄准量子计算配套GPU市场,其CEO黄仁勋频频出席量子计算领域重要会议,反映出GPU加速在量子计算数据预处理、结果分析环节的重要性。
未来,量子计算与AI、大数据等领域的深度融合,将催生新一代高性能计算生态,带动相关硬件、软件及算法协作创新。 总体而言,IBM与AMD的战略合作彰显了未来超级计算的发展趋势:混合计算架构已不可避免成为主流,融合量子计算的独特优势,强化经典计算的强大基础,提高计算整体效能与应用价值。随着量子比特数量稳步增长、误差校正技术持续完善,混合经典-量子超级计算机将在生命科学、新材料、气候科学、能源开发等关键领域释放无穷潜力。同时,该合作也体现出大厂联手合作、整合优势资源共同突破科技瓶颈的重要路径。未来五年,随着IBM和AMD密切协作及技术不断推进,混合经典-量子超级计算机将逐步走向实用化和产业化,引领全球计算能力迈入全新时代,为解决人类社会面临的复杂挑战贡献强大动力。 。
