IBM、AMD 和美國能源部橡樹嶺國家實驗室量子科學中心今天共同發布了一個量子糾錯協同設計平台，該平台基於位於同一設施內的量子和經典硬體構建。在紐約州波基普西的 IBM 量子運算中心，IBM 量子電腦（包括 120 量子位元的IBM Quantum Nighthawk處理器）與 Umbra 系統共置。 Umbra 是橡樹嶺國家實驗室的高效能運算系統，基於 AMD Instinct MI355X GPU 和第五代 AMD EPYC CPU 建置。 AMD 硬體負責提供研究中的經典部分：解碼、最佳化和軟體編排。
用於量子糾錯的經典計算
糾錯碼將量子資訊分散到多個實體量子位元上，並反覆檢查是否有故障跡象。經典電腦讀取每一輪檢查結果，並計算出哪些量子位元出錯（IBM 將這項工作稱為解碼），而解碼器必須與量子處理器保持同步。如今，量子電腦和高效能運算叢集很少位於同一設施中，因此研究人員需要透過雲端存取量子計算機，在單獨的系統上運行經典運算，並透過不同的應用程式介面 (API) 將兩者連接起來。每一次資料交接都會增加延遲，並限制團隊可以進行的實驗。
該平台將兩部分並排放置，以便研究人員能夠在實際的量子硬體上測試糾錯功能，而無需自行建立基礎設施。 IBM 表示，這項工作涵蓋了級聯碼、時空碼、演算法感知解碼器、硬體感知電路最佳化和編譯，以及軟體編排等多個方面，所有這些都整合在一個統一的堆疊中。
其中一個目標是分層糾錯，它將保護模組內量子位元的內層程式碼置於包裹內層程式碼邏輯量子位元的外層程式碼之下。 IBM 的研究表明，這種方法能夠以千分之一的物理錯誤率實現萬億次邏輯運算，並且解碼過程在每一層都進行。
「借助 Umbra，我們現在可以測試新的想法，大規模評估各種方法，並為更可靠的量子電腦奠定基礎，」量子科學中心主任特拉維斯·漢布爾說。
Umbra 採用 MI355X GPU 和第五代 EPYC CPU
在量子運算方面，Nighthawk 為研究人員提供了 IBM 所有處理器架構中最高的方格連接性、高電路吞吐量，並透過 IBM 量子系統 API 實現即時脈衝控制。研究人員可以在電路運作過程中測量量子位元，即時根據測量結果採取行動，精確設定保護量子位元免受雜訊幹擾的訊號時序，並直接處理原始測量訊號。這使得研究團隊能夠比較每種糾錯方法在量子位元、時間、樣本和經典資源的成本，並找到 GPU 加速最有效的應用情境。
在經典計算方面，MI355X 加速器使研究人員能夠大規模地訓練和評估解碼器，而 EPYC CPU 則負責編排。協同部署能夠降低解碼和條件執行的延遲，在條件執行中，量子程式會根據計算過程中所獲得的測量結果來選擇其下一步操作。 IBM 和 AMD 均未公佈部署的節點數量、GPU 或 CPU 數量、解碼延遲資料或基準測試結果。 AMD 已單獨介紹了用於低延遲控制和讀出的自適應 SoC 和 FPGA，以及用於編排量子加速器的 ROCm，作為其混合量子戰略的一部分，但此次公告並未提及這些技術與 Umbra 架構的關聯。
該平台是對三家機構先前合作的延伸。 IBM 和橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 已透過量子科學中心合作，雙方已展示了在 IBM 量子電腦和 Frontier 超級電腦上分別運行的工作負載，用於模擬磁性材料和計算候選聚變燃料材料的分子構型。此外，IBM 還與 AMD 合作，利用 AMD GPU 加速基於樣本的量子對角化中的經典對角化步驟，兩家公司還展示了一種能夠在 AMD 晶片上解碼量子錯誤的演算法。
計劃與 ORNL 超級計算連接
該平台將與位於田納西州橡樹嶺的橡樹嶺領導計算設施 (ORLC) 連接，橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 還表示將與其基於 AMD 的超級電腦 Lux 連接，以便量子計算能夠作為該實驗室更廣泛的人工智能和科學計算基礎設施的一部分運行。 IBM 和 AMD 表示，此次合作將探索如何將未來幾代 AMD 運算、網路和開源軟體與量子電腦協同設計。這些連結目前仍在計畫中，公告中並未提及完成日期、外部存取計畫或平台正式發布的具體時間節點。
這項工作與美國能源部「量子創世計畫」（Quantum Genesis Mission）的目標相契合，該計畫的目標是在2028年之前製造出一台具有科學應用價值的量子電腦。該計畫的Q競賽目標是在2028年底前實現100個邏輯量子比特，並完成100,000萬次硬運算。而IBM目前的實驗達到了70個邏輯量子位元和438次硬運算，運算次數相差約230倍。 IBM表示，這些團隊在糾錯和高效能運算（HPC）工作流程方面獲得的經驗將為IBM Quantum Starling——這款計劃於2029年交付的容錯量子電腦——提供資訊支援。
AMD 執行副總裁兼首席技術長 Mark Papermaster 表示：“這個協同設計平台是構建可擴展、高效的計算基礎設施的重要一步，而這對於實現容錯量子計算至關重要。”
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