在混合系统中融合量子和经典计算

在混合系统中融合量子和经典计算

实用的量子计算需要与外界的联系。这些连接可以用于量子计算机和诸如超级计算机的外部计算资源之间的协作。他们可以简单地以人类操作员可以访问和使用的方式输出量子计算的结果中国机械网okmao.com。在这两种情况下，在将量子计算机中的量子位与外界环境造成的干扰隔离以及在外部（通常是室温）环境中获取计算结果之间存在矛盾。之前有关“量子计算系统体系结构”的常见问题解答详细介绍了量子计算机的体系结构和操作需求。本常见问题解答将深入探讨量子计算和经典计算之间的联系。

期望实用的量子计算机具有至少一些与用户和经典计算网络的接口。第一步是实时读取量子态的能力。如前面的常见问题解答中所述，IBM已经转向一类特殊的低噪声微波放大器，即量子限制放大器（QLA），以应对这一挑战。QLA的性能需要改进，才能支持云中部署的下一代“大型”量子计算机。

从外部世界到量子计算机之间的链接也很重要。Qubit系统需要以有用的方式起作用，因此必须进行仔细的控制。可以使用链接到量子计算机的经典计算资源来管理该控件。起作用的量子/经典混合计算体系结构的结构可以视为四个“层”：

量子位所在的量子层以及进行量子计算的位置。

控制和测量层，可在低温或接近低温的温度下运行，并控制量子位的运行和测量

控制处理器层在室温或室温附近运行。它控制所采用的量子算法所需的操作和测量顺序，包括确定迭代操作的需要和控制。

主机处理器层是经典计算机，提供对大型存储阵列和网络的访问并支持用户界面，除了读取量子计算机的结果外，还支持用户指令。

量子经典混合计算堆栈。顶部是经典的计算平台，其中包括高级应用程序编程和HMI功能。中间有两个控制平面，一个控制平面在室温下运行以连接到经典计算机，另一个控制平面在低温下与堆栈底部的量子计算机中的量子位链接。（图片：微软研究院）

许多组织正在研究将量子计算机与外界连接的各个方面。以下是这些工作的几个示例。

悉尼大学的Microsoft Quantum实验室开发了硬件，使量子计算机可以与外界连接，同时保持量子位的稳定性。这种专用的CMOS电路称为“醋栗”，包括使用数字输入并生成许多并行量子位控制信号所需的数字和模拟功能。醋栗可以扩展以支持未来的量子计算机中的数千个量子位。它在100毫开尔文（mK）的温度下运行，同时耗散了足够低的功率，以不超过这些温度下商用标准研究型冰箱的冷却功率。

Microsoft Quantum实验室还开发了一种通用的低温计算内核，该内核可在液态氦中达到的更高温度下运行。低温计算核心执行创建发送到Gooseberry的指令所需的经典计算。醋栗将这些指令转换为电压脉冲以控制量子位。低温计算内核与Gooseberry的结合是解决创建控制数千个量子位所需的数千个I / O的问题的一种解决方案。

Gooseberry芯片解决的所谓的量子计算的“互连布线瓶颈”也是Intel努力的重点。英特尔的Horse Ridge芯片致力于控制电子技术的发展，该技术可以实现高保真度。Horse Ridge是用于量子比特的低温控制芯片，该芯片使用英特尔的22nm FinFET低功耗技术构建。最近推出了第二代芯片。Horse Ridge将用于量子计算机操作的关键控制功能带入了低温制冷机中-尽可能接近量子位本身-简化了量子系统控制线路的复杂性。

最近的研究表明，像Horse Ridge这样的基于CMOS的低温控制器可以实现与室温电子设备相同的保真度（99.7％）的双量子位处理器的相干控制。就量子计算的低温控制电子而言，这被认为是一个重要的里程碑。这项开发工作的未来目标是将控制器芯片和量子位集成在同一芯片或封装上。它们都是用硅制成的。这将为量子可扩展性提供商业途径。

以3开尔文输出工作的低温CMOS控制芯片可定制微波脉冲，以驱动冷却至20毫安的硅量子比特。图片：英特尔）

混合算法将CPU与QPU合并

混合量子和经典算法的开发是创建有用的量子计算平台的另一方面。这是美国能源部阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室以及克莱姆森大学和美国富士通实验室的研究人员的研究团队的目标之一。该团队开发了可在量子计算机上运行的混合算法，并已演示了它们在IBM量子计算机上的实际应用。为了区分这两个平台，团队将混合算法的经典和量子阶段称为经典计算机的中央处理单元（CPU）和量子计算机的量子处理单元（QPU）。

新的混合算法旨在融合经典计算机和量子计算机的最佳功能，以解决两个系统的局限性。例如，量子计算机仅具有少量的量子位，因此存储容量有限，而经典计算机具有能够存储庞大数据集的大型存储器。相反，与经典算法相比，量子计算机上的算法擅长解决某些类型的问题。

图分区和聚类被用作实际优化问题的示例，这些问题可以用当今的量子计算机来解决。当前的QPU可以直接处理较小的分区问题，而较大的问题则需要使用混合量子经典方法。随着问题规模的扩大，研究人员使用了从高性能计算和数值分析中借用的分解方法，将问题分解为较小的块，QPU可以在CPU的帮助下进行处理。

用于材料模拟的混合算法

材料仿真对于各个行业都很重要，从下一代电动汽车的电池开发到药物和药物开发，以改善医学疗法。这些领域的研究人员经常求助于超级计算机以获得所需的计算能力。将来，将量子计算机用作特殊用途的加速器有望成为一种破坏性因素，从而大大提高了执行详细材料模拟的能力。

由微软研究院，哥伦比亚大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员组成的团队预计，大规模量子计算将在未来十年内实现。为进行这项开发做准备，研究小组正在小型量子计算机上开发混合量子经典算法，该算法将为大型量子平台上的类似算法提供路线图，用于分析强相关的晶体材料或复杂分子，甚至量子材料，这些材料表现出各种各样有趣的物理现象并具有广泛的应用范围。

设想的算法通过量子和经典计算之间的反馈回路解决了一个自洽确定的问题。与任何已知的经典算法相比，量子计算机能够实现更大，更准确的仿真，并且一旦具有约一百个逻辑量子位的小型量子计算机可用，就可以解决量子材料中的许多悬而未决的问题。

针对材料仿真和开发进行了优化的混合量子经典计算体系结构。杂质问题（以红色突出显示）是使用经典计算机进行计算的计算限制步骤，由量子计算机执行。（图片：微软研究院）

量子计算机加上经典的超级计算机

在混合量子计算机中，量子设备将充当与经典超级计算机一起工作的量子协处理器或加速器。在混合量子计算机上运行的算法将需要相对于量子位的去相干性更强健，因此减少了对量子误差校正的需要。下图说明了可能的混合体系结构，其中包括云中的经典超级计算机和量子处理器。

用经典超级计算机进行量子计算。量子电路U被分解为经典电路C和量子电路V1…Vn。量子电路在云中的量子计算机上进行评估，经典电路在经典超级计算机上进行评估。（图片：第三届后摩尔时代超级计算国际研讨会）

上图中的计算包括以下步骤：

（1）用量子编程语言（例如Qiskit，一种用于在量子级计算机上使用Python的脉冲，电路和算法级别与量子计算机一起工作的开源SDK）对量子算法进行编程，然后将其编译成量子电路。

（2）最终的量子电路被划分为足够小以适合现有量子硬件的子电路（当今的量子计算机规模有限），并且必须将对噪声的敏感性降至最低，以确保可靠的操作。

（3）量子子电路需要分布并安装在量子处理器（可能在另一个位置）和经典超级计算机上。这些电路必须具有容错能力，并且必须足够简单（足够浅），才能在可用的量子硬件上运行。

（4A）可能在远程超导量子计算机上执行量子计算。最初，至少量子计算资源将受到限制，并且将需要大量的支持基础架构（例如，用于超导环境）。量子计算机的输出将转换为经典位，以传输回超级计算机（以最小的延迟）进行后续处理。

（4B）使用超级计算机根据需要进行经典计算。例如，Intel Quantum Simulator（Intel-QS），也称为qHiPSTER（Quantum高性能软件测试环境），已被用作软件接口。它是量子电路的仿真器，经过优化，可以最大程度地利用多核和多节点架构的优势。Intel-QS已被移植到Cray / Intel超级计算机Theta。

（5）结合并分析来自量子计算机和经典计算机的结果，可能使用相同或不同的量子电路输入对整个过程进行一次或多次迭代，直到获得满意的结果。

概括

有望将量子计算与经典计算机相结合的混合系统对于充分发挥量子方法的潜力是必不可少的。这将涉及开发连接量子和经典计算世界的混合硬件环境，以及开发混合量子经典计算算法以有效利用那些复杂的混合计算环境。如图所示，许多研发团队正在研究创建这些混合量子/经典计算系统的各个方面。