超级计算中心必须解决关键的软件基础设施瓶颈，才能集成量子系统并释放其全部潜力。
在全球竞相建造实用量子计算机的浪潮中，高性能计算（HPC）中心之间正在形成一种心照不宣的共识：硬件正在快速进步，但运行它所需的软件却严重滞后。
法国量子计算初创公司Alice & Bob与分析机构Hyperion Research发布的一份报告指出，将量子系统与现代超级计算机集成的主要瓶颈已不再是量子比特本身，而是底层软件基础设施、编译器和调度器——它们负责将科学问题转化为机器指令。
“量子产业和硬件一直在取得显著进展，”Alice & Bob美国区总经理Juliette Peyronnet在接受《EE Times》采访时表示。“市场投入巨大，信号明确，采用正在加速。但这里发现的一个缺口在于软件栈。硬件和量子计算机不会孤立运行；对于高性能计算中心的首批采用者而言，它们将成为集成的混合资源。”
这份题为《HPC-Quantum-AI：塑造下一个计算时代》的报告基于对15位主要超级计算设施负责人和工程师的采访，包括橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和日本理化学研究所（RIKEN）。报告警告称，如果没有标准化的软件接口，各中心可能因定制集成管道而浪费数月时间。
“各地的HPC终端用户都在寻求指导和洞见，以了解将量子计算能力集成到当前和未来先进计算生态系统中需要什么，”Hyperion Research高级研究副总裁兼量子计算首席分析师Bob Sorensen表示。“本报告涵盖了量子计算供应商和终端用户成功推进这一过程所需应对的关键问题。”
“猫量子比特”的物理原理
这一集成的核心在于如何纠正常使量子计算机不稳定的错误。标准量子处理器对噪声高度敏感，需要复杂的纠错方案，最多需要一千个脆弱的物理量子比特来保护一个逻辑量子比特——即计算的基本单元。
Alice & Bob正在探索“猫量子比特”（cat qubit），这是一种超导量子技术，旨在缓解这一扩展瓶颈。结合LDPC纠错码，其架构据称可将物理硬件需求相比竞争方案减少最多200倍。
“在Alice & Bob，主要变化在于我们只需纠正一种类型的错误，”Peyronnet告诉《EE Times》。“量子计算机在执行操作时有两种类型的错误可能扰乱机器的正常运行：比特翻转错误和相位翻转错误。这些错误的纠正计算成本高昂且要求苛刻。在我们的平台上，比特翻转时间通过器件本身的设计来纠正。你将试图实现的纠错方案坍缩到一个维度上，这意味着每个逻辑量子比特所需的物理量子比特要少得多。”
这一设计将纠错工作完全集中在相位翻转上。该公司实验室近期的实验结果表明，其猫量子比特可在长达一小时的时间内保持抗比特翻转的稳定性，远超标准超导量子比特——后者通常在毫秒级内就会发生比特翻转。
延迟陷阱及与经典计算机的集成
即使占用空间减少，量子计算机也无法独立运行。纠错相位翻转需要一台经典计算机来监测物理量子比特的测量结果。在超导系统中，这一解码过程会在不到10微秒的时间窗口内产生海量数据需要处理，以防止处理器停滞。
“他们将不得不利用经典计算在量子节点内部执行一些关键操作，”Peyronnet说。“但他们还必须与大量经典资源进行外部交互，以执行有用的应用。而所有这些面向容错机制（即真正能交付价值的机器）的软件管道尚不存在。”
容错栈中的AI工作负载（来源：Alice & Bob报告）
为弥合这一鸿沟，Alice & Bob正与英伟达合作，后者是该初创公司的投资方。英伟达正在推广其CUDA-Q编程模型，作为运行异质后端的平台。然而，标准软件平台仍需要大量定制才能适配不同的硬件模态。
“我们与英伟达紧密合作，也使用CUDA-Q，但仍需大量开发工作，以确保猫量子比特的特殊性得到考虑，”Peyronnet表示。“我们正与英伟达合作，确保与猫量子比特兼容。一个产品不是插上量子计算机就能解决所有问题的。仍需大量协作。”
商业化时间表与投资回报
尽管政府和风险投资家已向量子计算投入数十亿美元，但商业回报仍是长期前景。摩根大通和汇丰等主要金融机构正在研究用于投资组合优化的混合系统，即使微小的改进也能带来显著的财务价值。然而，更广泛的商业化时间表以年为单位计算。
“毫无疑问，今天对任何人来说都没有投资回报，”Peyronnet承认。“这仍是一项需要成熟才能为企业交付价值的技术。首批有用的机器不会面向工业界，而是面向一个专注于某些问题的细分研究者群体——在这些问题上，我们可以看到他们的兴趣与量子计算所能实现的目标存在交集。”
Juliette Peyronnet指出，该行业正处于早期采用者阶段，预计将持续数年。
“我们是最早的采用者、创新者类型，”Peyronnet说。“我们至少会在这个阶段停留到2030年初，然后我们将逐步推进，使这项技术更易于应用于其他用例。我们可能比今天的人工智能落后20到30年。现在仍处于非常早期的阶段。所以是的，会有投资回报，但需要时间。”
报告敦促超级计算中心不要坐等硬件孤立地成熟，而应参与协同设计，即领域科学家、软件开发者和硬件专家在物理处理器交付之前就针对特定应用展开合作。
将不同领域的专业知识汇聚一堂，可将混合经典-量子计算应用的运行时间缩短数个数量级。（来源：Alice & Bob报告）
Alice & Bob目前正利用美国能源部ARPA-E项目提供的390万美元资助，与GE Vernova、洛斯阿拉莫斯国家实验室和密歇根大学合作，共同设计一个化学工作流，目标是模拟无稀土磁体。
对于HPC中心而言，长期的教训是：就绪能力无法外包，也无法拖延。今天就在构建内部软件和运营专长的超级计算设施，将是未来十年部署首批实用量子超级计算机的机构。
原文链接：https://www.eetimes.com/bridging-the-hpc-software-gap-for-practical-quantum-computing/
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