IBM 發布首個量子中心超級運算藍圖，整合高效能運算

Alvin Lang 2026年3月12日 21:13

IBM 發布業界首個量子中心超級運算參考架構,實現量子處理單元與現有高效能運算基礎設施及傳統加速器的整合。

IBM 於2026年3月12日發布首個量子中心超級運算參考架構,為量子處理單元與現有高效能運算基礎設施的整合提供技術藍圖。隨著混合量子-傳統工作流程展現出與領先傳統方法相當的物理和化學問題處理結果,該框架滿足了日益增長的需求。

該架構概述了量子處理單元如何在現代高效能運算環境中與中央處理器和圖形處理器並行運作,而無需全新的運算堆疊。IBM 將其設計為模組化和可組合的,依賴於開放軟體、標準介面以及可嵌入現有工作流程和排程器的配置。

實際部署已在運行

這並非理論。IBM 已在理化學研究所的超級運算環境中部署早期版本,並與日本的富岳系統整合——該系統擁有152,064個傳統節點。克利夫蘭診所與 IBM 的聯合研究採用量子中心超級運算工作流程,預測含300個原子的 Trp-cage 微型蛋白質兩種構象異構體的相對能量,將量子模擬規模擴展到33個軌道,並達到耦合簇方法的準確度。

另一項合作驗證了半莫比烏斯分子的電子結構,研究結果發表於《科學》期刊。這些並非玩具問題——它們代表具有科學意義的系統,推動了運算邊界。

四層架構堆疊

參考架構分解為不同層次。應用層處理運算函式庫,將問題分解為在不同環境中啟動的元件。在此,傳統和量子函式庫準備、最佳化並後處理量子工作負載,轉化為特定應用領域的電路。

應用中介軟體位於下方,其中 MPI 和 OpenMP 等協定與量子最佳化中介軟體協同運作。Qiskit v2.0 引入了 C 外部函式介面,擴展了 Python 對其他程式語言的接觸,而 v2.1 則引入了可自訂的框註解,用於電路隨機化和錯誤緩解。

編排層透過量子資源管理介面(QRMI)等工具管理資源配置——這是一個抽象硬體特定細節的開源函式庫。對於 Slurm 工作負載管理器實作,量子 SPANK 外掛將量子資源作為可排程實體與傳統資源並列。

硬體基礎設施詳情

底層為三級硬體基礎設施。最內層包含量子系統本身——傳統執行時期加上透過即時互連連接的量子處理單元。這包括處理量子錯誤修正解碼、電路中測量以及在同調時間限制內進行量子位元校準的現場可程式化閘陣列、特殊應用積體電路和中央處理器。

第二層增加了透過低延遲互連(如融合乙太網路上的遠端直接記憶體存取或 NVQLink)連接的共置中央處理器和圖形處理器系統。這些系統充當量子錯誤修正測試平台,支援超越量子系統原生能力的運算密集型錯誤檢測策略。

合作夥伴橫向擴展系統形成最終層——處理伴隨量子處理單元執行的傳統工作負載的雲端或本地資源。這種模組化方法簡化了資料中心在現有叢集旁部署量子系統的路徑。

為何高效能運算中心現在應該關注

時機很重要。隨著基於樣本的量子對角化等量子演算法達到對傳統方法具有挑戰性的規模,領域科學家面臨將量子整合到其工具組的壓力。新穎的錯誤緩解和修正策略越來越多地涉及高效能運算能力,等待容錯系統到來意味著錯過整合學習曲線。

IBM 將此框定為未來十年將不斷演進的框架,而非當前系統的規範性藍圖。現在參與的高效能運算中心可以為高影響力應用共同設計系統,同時建立可擴展至容錯的基礎。該架構解決了化學、材料科學和最佳化問題——這些是沒有單一運算方法能夠獨自處理的領域——正是量子理論優勢可能最終轉化為實際能力的領域。

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