IBM 推出首个以量子为中心的超级计算蓝图以整合高性能计算

Alvin Lang 2026年3月12日 21:13

IBM 发布业界首个以量子为中心的超级计算参考架构,实现量子处理单元与现有高性能计算基础设施和经典加速器的整合。

IBM 于2026年3月12日发布了首个以量子为中心的超级计算参考架构,为整合量子处理单元与现有高性能计算基础设施提供技术蓝图。随着混合量子-经典工作流在物理和化学问题上展现出与领先经典方法相当的结果,该框架解决了日益增长的需求。

该架构概述了量子处理单元如何在现代高性能计算环境中与中央处理器和图形处理器并行运作,而无需全新的计算堆栈。IBM 将其设计为模块化和可组合式,依赖开放软件、标准接口以及可插入现有工作流和调度程序的配置。

实际部署已在运行

这并非理论。IBM 已在理化学研究所的超级计算环境中部署了早期版本,并与日本的富岳系统整合——这是一台拥有152,064个经典节点的机器。克利夫兰诊所与 IBM 之间的联合工作使用以量子为中心的超级计算工作流来预测300个原子的 Trp-cage 微型蛋白质两种构象异构体的相对能量,将量子模拟扩展到33个轨道,并达到耦合簇方法的精度。

另一项合作验证了半莫比乌斯分子的电子结构,结果发表在《科学》期刊上。这些不是玩具问题——它们代表了具有科学意义的系统,推动了计算边界。

四层架构堆栈

参考架构分为不同的层次。应用层处理将问题分解为在不同环境中启动的组件的计算库。在这里,经典和量子库准备、优化量子工作负载并将其后处理为特定应用领域的电路。

应用中间件位于下方,其中 MPI 和 OpenMP 等协议与量子优化的中间件并行工作。Qiskit v2.0 引入了 C 外部函数接口,将 Python 扩展到其他编程语言,而 v2.1 则引入了可自定义的框注释,用于电路随机化和错误缓解。

编排层通过量子资源管理接口(QRMI)等工具管理资源分配——这是一个抽象硬件特定细节的开源库。对于 Slurm 工作负载管理器实现,量子 SPANK 插件将量子资源作为可调度实体与经典资源一起公开。

硬件基础设施细节

基础层是三级硬件基础设施。最内层包括量子系统本身——经典运行时加上通过实时互连连接的量子处理单元。这包括现场可编程门阵列、专用集成电路和中央处理器,在相干时间限制内处理量子纠错解码、电路中测量和量子比特校准。

第二级添加了通过低延迟互连(如融合以太网上的远程直接内存访问或 NVQLink)连接的共址中央处理器和图形处理器系统。这些作为量子纠错测试平台,支持超出量子系统原生能力的计算密集型错误检测策略。

合作伙伴横向扩展系统构成最后一级——处理伴随量子处理单元执行的经典工作负载的云端或本地资源。这种模块化方法简化了数据中心在现有集群旁部署量子系统的路径。

为什么高性能计算中心现在应该关注

时机很重要。随着基于样本的量子对角化等量子算法达到对经典方法具有挑战性的规模,领域科学家面临将量子整合到其工具包中的压力。新颖的错误缓解和纠正策略越来越多地涉及高性能计算能力,而等待容错系统到来意味着错过整合学习曲线。

IBM 将其定位为一个将在未来十年演进的框架,而不是当前系统的规范性蓝图。现在参与的高性能计算中心可以为高影响力应用共同设计系统,同时建立可扩展到容错的基础。该架构解决了化学、材料科学和优化问题,这些问题无法由单一计算方法单独处理——正是量子理论优势可能最终转化为实际能力的领域。

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