异构计算时代来临，IBM推出量子超算融合架构

当真正可商用、可规模化、具备容错能力的量子计算时代全面到来并广泛普及之时，至少在初期，它将以云服务的形式存在，并与强大的经典超级计算机深度融合。量子处理器将如同加速器节点一般，与中央处理器、图形处理器协同运行，承接那些经典计算设备难以胜任的超大规模工作负载。

如今，无论是高端计算领域的巨头，还是中小型厂商与初创企业，都在逐步搭建相关技术组件，以保障这类融合系统能够稳定顺畅地运行。正如我们去年所指出的，为持续扩张的人工智能市场提供核心算力支撑的英伟达，已开始为其产品新增高性能计算与量子计算的互联能力。例如，NVQLink 就是用于连接经典超级计算机与量子系统的高速互联接口，而 CUDA-Q 则是英伟达推出的量子-经典融合计算平台。

近期，初创企业量子元素公司结合人工智能与数字孪生技术，加速推动可商用、具备容错能力的量子计算落地；而量子机器公司本周也发布了开放式加速堆栈，该框架面向希望将任意经典计算流程整合到量子控制栈中的用户。公司联合创始人兼首席技术官约纳坦·科恩表示，这一举措“反映出行业正从量子计算演示验证阶段，转向规模化部署与深度融合阶段。它满足了量子研发两大核心领域的需求：实时纠错与先进量子比特校准，同时为软硬件规模化扩展提供了框架，兼顾用户体验与运行性能”。

量子-经典融合系统的必要性

量子计算与高性能计算融合的构想，业内已探讨多年。专注于超导量子处理器的初创企业 QuantWare 指出：“随着经典计算与量子计算的边界不断拉近，行业正形成统一愿景：未来的高性能计算将是异构架构，量子计算会成为现有计算体系中‘工具箱里的又一件工具’。”

这一议题甚至已上升至国家安全层面。战略与国际研究中心本月发布报告称：“将量子计算机融入美国顶尖的超级计算机体系，现已成为美国在下一计算时代保持技术领先的战略要务。尽管美国在超级计算与量子计算领域均处于领先地位，但在研发量子-超级计算混合系统方面，却落后于欧洲和日本。”

蓝色巨人的架构蓝图

IBM 本月公布了一套参考架构，公司高管表示，该架构为行业提供了将量子计算与经典计算融合、实现所谓“量子中心超级计算”的工作负载运行路线图。IBM 院士、量子中心超级计算首席技术官杰里·周表示，这一架构是“未来计算的蓝图，同时也旨在展现其与现有计算系统的兼容性和互补性”。

“量子计算与高性能计算必须融合，目前已有诸多机构将二者部署在数据中心内，”杰里·周说道，“我们希望明确划定技术方向，展示这套架构在技术层面的实现方式，以及量子处理器与中央处理器、图形处理器共存的异构高性能计算平台，如何实现真正的互操作、通信、调度以及面向终端应用的编程。”

据 IBM 科学家介绍，这份在研究论文中详细阐述的参考架构包含多层结构，以硬件基础设施为基础，而硬件层又划分为三个层级，各自具备不同的计算能力、互联方式与物理部署位置。底层为量子系统，包含经典运行时环境与一个或多个互联的量子处理器，其中运行时环境由专用经典加速器——现场可编程门阵列与专用集成电路，以及中央处理器组成，负责支撑量子处理器的各项操作，涵盖纠错编码、量子比特校准到主动量子比特重置等全流程。

第二层是与量子系统就近部署的可编程中央处理器与图形处理器系统，通过低延迟、近实时互联接口连接，包括融合以太网上的远程直接数据存取、超以太网、NVQLink 等。最上层则为合作伙伴的横向扩展系统，可部署在云端或本地机房。

基础设施之上是调度编排层，其中包含量子资源管理接口，这是一个开源库，可屏蔽硬件底层细节，提供量子资源获取、任务执行与系统监控的应用程序接口。此外还有应用中间件，作为独立的量子与经典编程模型之间的通信工具，以及顶层的应用软件。

“中央处理器以二进制代码表示信息，图形处理器以张量为基础，而量子处理器的编程模型则依赖量子电路，”科学家们写道，“将现有求解器升级为量子中心超级计算求解器，需要一个应用层，让计算库能将任务拆解为不同组件，分发到不同环境中运行。这一层面实现了经典库与量子库的协同，量子库会针对具体应用领域，将量子工作负载预处理、优化、后处理为预设量子电路，这一过程通常还会借助经典计算资源完成。”

杰里·周表示，IBM 早已着手探索量子与经典计算的融合，通过与克利夫兰诊所基于量子中心超级计算工作流的合作研究发现，在物理与化学问题的处理上，量子计算已达到与经典计算相当的水平。IBM 还与日本理化学研究所的超算环境及其“富岳”超级计算机，开展了该参考架构的早期部署验证。

“整体而言，这套架构以多种不同应用场景为依托，核心方向是实现量子与经典计算在时间或空间上的紧密耦合，”他说道，“因此我们主要通过架构的逐步演进来落地这一理念，并非宣称这是唯一的终极架构，而是逐步展示资源耦合程度不断加深的实现路径。从长远来看，我们将推动系统的深度协同设计，使其随关键垂直领域的应用、算法与库的扩展同步规模化。”

IBM 还制定了时间线，规划了未来数年量子-经典计算融合的演进路径。

杰里·周表示，另一项关键进程也在同步推进。这套参考架构及 IBM 相关研发工作的核心支撑，首先是 2023 年发布的Heron 133 至 156 比特超导量子芯片，如今则是 2025 年 11 月推出的Nighthawk 120 比特芯片。

他称，Nighthawk芯片让 IBM“实现了对部分量子电路的超越，其复杂度已超出经典计算可精确模拟的范围”。“这便成为众多用户探索量子计算的试验场，研究重心不再局限于设备本身，而是真正基于量子处理器开展科研与应用探索。其中的核心问题便是，如何将其与人们经典计算的常规应用相结合？”

他强调，量子计算不会完全取代经典计算体系的任何部分。就像如今中央处理器与图形处理器协同工作一样，量子处理器也将成为技术架构中至关重要的一环。

“从算法角度来看，关键是让各类加速器在各自最擅长的领域发挥作用，”杰里·周说道，“静态批处理任务由中央处理器完成，矩阵与张量运算由图形处理器承担——这类工作始终会由它们负责；而量子电路，作为当前量子计算依托的核心语言，将在支持量子纠缠与叠加态的量子计算机上运行。从算法层面而言，核心艺术在于如何最优地调度这些不同的计算组件。当下令人振奋的是，借助这类混合计算模型与参考架构，业内已开始思考如何最大化发挥各类计算资源的价值。”