IBM量子計(jì)算通過Qiskit Runtime，打造120倍的量子工作負(fù)載加速

經(jīng)過一系列改進(jìn)，團(tuán)隊(duì)在模擬分子方面的速度提高了120倍，能夠完全在云上通過Qiskit Runtime運(yùn)行量子程序。

去年秋天，我們堅(jiān)定承諾要在IBM Quantum路線圖中將量子工作負(fù)載加速100倍，擴(kuò)展量子技術(shù)。今天，我們很高興地宣布，我們不僅實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，而且突破了這一目標(biāo)。經(jīng)過一系列改進(jìn)，我們的團(tuán)隊(duì)在模擬分子方面的速度提高了120倍，能夠完全在云上通過Qiskit Runtime運(yùn)行量子程序。

到目前為止，我們主要關(guān)注的是IBM Quantum系統(tǒng)上量子電路或量子操作序列的執(zhí)行。然而，實(shí)際應(yīng)用也需要大量的經(jīng)典計(jì)算。我們用量子程序這一術(shù)語來描述量子電路和經(jīng)典計(jì)算的混合。一些量子程序在量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算之間存在成千上萬甚至數(shù)百萬的互動。因此，打造的系統(tǒng)不僅能加速量子電路的執(zhí)行，還需要在本質(zhì)上加速量子程序的執(zhí)行，這一點(diǎn)十分重要。為執(zhí)行量子程序而構(gòu)建的系統(tǒng)需要有更大的有效容量，同時(shí)需要跨堆棧進(jìn)行改進(jìn)，包括云服務(wù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件、控制硬件，甚至包括量子硬件。

早在2017年，IBM Quantum團(tuán)隊(duì)展示了量子計(jì)算機(jī)可以模擬氫化鋰（lithium）分子的行為[1]，讓我們一睹量子計(jì)算機(jī)將來可以處理的各種應(yīng)用。然而，采用如今的量子計(jì)算服務(wù)，LiH分子建模的處理需要45天，因?yàn)殡娐吩诮?jīng)典處理器和量子處理器之間反復(fù)來回傳遞，并產(chǎn)生了大量延遲。

“如今，解決相同的問題，我們只需9小時(shí)時(shí)間，速度提高了120倍?！?/p>

此次工作做出了大量改進(jìn)。算法改進(jìn)將接收最終答案所需的算法迭代次數(shù)減少了2到10倍。系統(tǒng)軟件的改進(jìn)使每次迭代用時(shí)大約減少了17秒。改進(jìn)的處理器性能使算法每次迭代所需的運(yùn)行數(shù)量或重復(fù)電路運(yùn)行次數(shù)減少了10倍。最后，改進(jìn)的控制系統(tǒng)（如更好地讀出和量子比特重置性能），將每個(gè)作業(yè)執(zhí)行（即每批幾十個(gè)電路的執(zhí)行）的時(shí)間從1000微秒減少到70微秒。

最后，推出了Qiskit Runtime，這是量子計(jì)算機(jī)的容器化服務(wù)。開發(fā)人員可以在Qiskit運(yùn)行時(shí)執(zhí)行環(huán)境中運(yùn)行他們的程序，利用IBM混合云處理工作，無需在用戶設(shè)備和基于云的量子計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行代碼傳遞，避免出現(xiàn)延遲。新的軟件架構(gòu)和OpenShift Operator支持我們最大化計(jì)算時(shí)間，將等待時(shí)間降至最低。

我們希望此次加速將使更多的開發(fā)人員能夠在化學(xué)和其他領(lǐng)域嘗試量子應(yīng)用。例如，Qiskit運(yùn)行時(shí)支持用戶試用我們強(qiáng)大的新量子內(nèi)核聯(lián)合算法（new quantum kernel alignment algorithm），該算法可搜索最佳量子內(nèi)核，用于執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。最近，我們使用了該算法來證明，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)在有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方面速度更快。

IBM Quantum團(tuán)隊(duì)致力于尋找實(shí)用的量子計(jì)算用例，并將其交付給盡可能多的開發(fā)人員。我們希望Qiskit Runtime可支持全球用戶充分利用計(jì)劃于今年推出的127量子比特IBM Quantum Eagle設(shè)備，或計(jì)劃于2023年推出的1121量子比特Condor設(shè)備。

目前，IBM Quantum Network的一些成員正在測試Qiskit Runtime。

[1]本期《自然》封面故事關(guān)于‘Hardware-efficient Variational Quantum Eigensolver for Small Molecules and Quantum Magnets’,同樣詳細(xì)介紹了氫化鈹（beryllium hydride）的模擬。