AI的下一站：QPU，英偉達(dá)已布局

在過去的幾年里，美國、中國和歐洲的政府都增加了對量子信息研究與開發(fā)的投資。

而就在最近一次的GTC大會上，英偉達(dá)CEO黃仁勛再次提及QPU。這也預(yù)示著，量子計算的商業(yè)應(yīng)用已進(jìn)入倒計時階段，僅在一周之內(nèi)，谷歌和英偉達(dá)相繼宣布了與量子計算相關(guān)的技術(shù)突破。

01

QPU是什么？

QPU（Quantum Processing Unit，即量子處理單元）是量子計算機(jī)的核心組件，基于量子疊加與糾纏原理實現(xiàn)計算功能，其算力隨量子比特數(shù)n呈指數(shù)級（2?）增長。當(dāng)前QPU主要技術(shù)實現(xiàn)方案包括超導(dǎo)量子、離子阱、量子點等物理體系，并在混合量子-經(jīng)典計算架構(gòu)中展現(xiàn)出解決復(fù)雜問題的潛力。

量子計算是一種革命性計算技術(shù)，利用量子物理特性處理和解決信息問題，其在量子計算機(jī)上運行，而量子計算機(jī)是專門設(shè)計的電子設(shè)備，允許在量子尺度上操縱物體。在量子尺度下，物體行為與日常經(jīng)驗迥異，量子計算通過編寫程序利用這些獨特量子行為，執(zhí)行傳統(tǒng)計算機(jī)無法完成的任務(wù)。

量子計算最核心的突破在于量子比特（Qubits）的特性，不同于經(jīng)典比特（0或1），量子比特可處于疊加態(tài)，同時為0和1，使量子計算機(jī)能并行探索多種可能性。

從技術(shù)實現(xiàn)路徑看，量子計算硬件主要分為兩類。

第一類是基于微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建分立能級系統(tǒng)的“人造粒子”路線，如超導(dǎo)量子計算、硅半導(dǎo)體量子計算。優(yōu)勢在于可擴(kuò)展性強(qiáng)，易與現(xiàn)有集成電路技術(shù)耦合，但面臨量子門保真度與比特控制難題。超導(dǎo)量子計算是基于超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)構(gòu)建二能級系統(tǒng)，如transmon、fluxonium等構(gòu)型。優(yōu)勢是可擴(kuò)展性強(qiáng)、易操控、與集成電路兼容性好，是當(dāng)前最成熟的主流量線之一。例如，IBM持續(xù)刷新比特規(guī)模與操控精度，谷歌通過“懸鈴木”芯片展示量子優(yōu)勢。硅半導(dǎo)體量子計算是利用硅基量子點中電子的自旋構(gòu)建量子比特，核心優(yōu)勢是可擴(kuò)展性強(qiáng)、與現(xiàn)有CMOS工藝高度兼容，適合大規(guī)模量產(chǎn)，但受限于同位素材料加工與柵格串?dāng)_，可擴(kuò)展性仍面臨挑戰(zhàn)。

第二類是直接操控微觀粒子的“天然粒子”路線，如離子阱量子計算、中性原子量子計算、光量子計算。特點是比特全同性好、邏輯門精度高，卻在大規(guī)模系統(tǒng)構(gòu)建上存在挑戰(zhàn)。離子阱量子計算是通過射頻電場囚禁帶電離子，利用離子基態(tài)與激發(fā)態(tài)構(gòu)建二能級系統(tǒng)。核心優(yōu)勢是量子比特全連接性好、操控精度極高、相干時間長，是目前門保真度最高的路線之一，但面臨大規(guī)模擴(kuò)展與高集成度測控難題。中性原子量子計算是通過激光“光鑷”在超高真空腔中囚禁中性原子，激發(fā)至里德堡態(tài)構(gòu)建二能級系統(tǒng)。核心優(yōu)勢是相干時間長、保真度高，且可擴(kuò)展性優(yōu)于離子阱，近年來在比特規(guī)模上增長最快。光量子計算是利用光子的偏振、相位等自由度構(gòu)建量子比特，核心優(yōu)勢是相干時間長、可室溫運行、測控簡單，分為“邏輯門型”（通用計算）與“專用型”（如玻色采樣、相干伊辛系統(tǒng)，用于組合優(yōu)化）兩類。

這兩大陣營各有特點和優(yōu)勢，目前處于并行發(fā)展階段，共同推動量子計算技術(shù)的快速發(fā)展。行業(yè)規(guī)劃顯示，2029年IBM計劃交付200邏輯量子比特系統(tǒng)，2033年擴(kuò)展至數(shù)千邏輯比特規(guī)模。

02

QPU與AI天然契合

全球知名前沿科技咨詢機(jī)構(gòu)ICV在《2024Global Quantum Computing Industry Development Prospect》中認(rèn)為，2027年末-2028年初會是全行業(yè)一個重要的時間點，專用量子計算機(jī)將逐漸解決特定問題，如組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)，引導(dǎo)材料設(shè)計和藥物開發(fā)。

量子計算與人工智能的融合被視為下一代計算革命的重要方向。量智融合的核心并非單向技術(shù)疊加，而是多領(lǐng)域、多學(xué)科的橫向連接，依托協(xié)同創(chuàng)新實現(xiàn)非線性增長。量子計算有望突破當(dāng)前 AI 模型訓(xùn)練的算力瓶頸，提升算法效率；另一方面，量子比特易受環(huán)境干擾，需復(fù)雜校準(zhǔn)和糾錯算法才能正常運行。而人工智能則能在量子控制、誤差校正、算法設(shè)計等方面可以反向賦能量子技術(shù)，為量子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性提供新路徑。

當(dāng)前量子信息與人工智能的結(jié)合主要有兩個方向：一是 AI for Science（科學(xué)智能），例如谷歌曾用量子人工智能優(yōu)化糾錯碼；二是量子計算賦能機(jī)器學(xué)習(xí)，未來量子計算機(jī)成熟后，將為 AI 提供算力支持。

更重要的是在能效方面，QPU理論功耗低于經(jīng)典處理器，混合系統(tǒng)被視為降低整體能耗的有效路徑。通過采用量子計算技術(shù)，可以有效解決當(dāng)前智算數(shù)據(jù)中心的能耗問題。

03

英偉達(dá)已布局QPU方案

作為AI領(lǐng)域的龍頭，英偉達(dá)自然不能缺席QPU這一領(lǐng)域。今年6月，在法國巴黎舉行的GTC大會上，英偉達(dá)CEO黃仁勛表示，量子計算領(lǐng)域正迎來歷史性拐點，預(yù)測下一代超級計算機(jī)將配備與GPU相連的QPU。

2022年，英偉達(dá)便宣布啟動經(jīng)典-量子混合計算機(jī)項目，提出需構(gòu)建GPU-QPU低延遲連接架構(gòu)與統(tǒng)一編程模型。通過建立GPU與QPU之間的快速低延遲連接通道，實現(xiàn)經(jīng)典計算資源對量子電路的實時優(yōu)化與校準(zhǔn)。該系統(tǒng)的核心技術(shù)工具包cuQuantum已實現(xiàn)商用，被亞馬遜云科技、Menten AI等機(jī)構(gòu)應(yīng)用于量子電路模擬與藥物研發(fā)優(yōu)化。

在最近華盛頓召開的GTC大會上，英偉達(dá)公布了量子領(lǐng)域關(guān)鍵突破，推出NVQLink，實現(xiàn)量子計算機(jī)QPU和GPU的直接通信。黃仁勛指出，量子計算的QPU已獲得空前支持，目前包括17家量子計算公司和8個美國能源部DOE國家實驗室均已接入英偉達(dá)生態(tài)。

NVQLink本質(zhì)上是一種開放系統(tǒng)架構(gòu)，專門用于將GPU計算的極致性能與量子處理器緊密耦合，構(gòu)建加速的量子超級計算機(jī)。從技術(shù)參數(shù)看，它實現(xiàn)了低于4.0微秒的延遲（FPGA到GPU到FPGA往返），以及高達(dá)400 Gb/s的GPU-QPU吞吐量。這一速度對量子糾錯至關(guān)重要，因為量子態(tài)極其脆弱，必須在極短時間內(nèi)完成檢測和修正。

量子計算機(jī)雖理論速度快，但面臨"太脆弱"的致命問題：熱噪聲和電磁干擾易導(dǎo)致計算出錯，錯誤會累積使結(jié)果不可靠。而量子糾錯可能是全球最密集的并行計算任務(wù)之一，這正是GPU的用武之地。

當(dāng)前NISQ（含噪聲中等規(guī)模量子）時代的量子比特極其脆弱，其發(fā)展受限于錯誤糾正、校準(zhǔn)和控制等經(jīng)典計算任務(wù)，解決這一瓶頸需要巨大經(jīng)典算力。未來，每個NVIDIA GPU科學(xué)超級計算機(jī)都將與量子處理器緊密耦合，NVQLink負(fù)責(zé)硬件層面的高速互聯(lián)，CUDA-Q則負(fù)責(zé)軟件層面的統(tǒng)一編程和管理。

CUDA-Q作為NVIDIA推出的開源量子-經(jīng)典混合計算軟件平臺，被定位為"量子計算的CUDA"。其混合編程模型允許在單個量子程序中協(xié)同計算GPU、CPU和QPU資源，使開發(fā)者能編寫可無縫運行于三者之間的代碼，并為量子糾錯提供專屬方案，顯著降低量子計算開發(fā)門檻。

產(chǎn)業(yè)實踐中，NVIDIA通過CUDA-Q平臺已連接德國于利希中心、日本ABCI-Q等超算系統(tǒng)，構(gòu)建QPU與GPU協(xié)同計算生態(tài)。在混合架構(gòu)中，QPU負(fù)責(zé)執(zhí)行量子算法核心模塊，經(jīng)典處理器處理數(shù)據(jù)預(yù)處理與結(jié)果優(yōu)化。

英偉達(dá)的戰(zhàn)略極具智慧——不自研量子計算機(jī)，而是聚焦自身最擅長的領(lǐng)域：構(gòu)建量子與經(jīng)典計算之間的橋梁。讓量子計算芯片的廠商都主動買英偉達(dá)的GPU，搭配在一起用。

04

中國量子計算產(chǎn)業(yè)：多路線并進(jìn)

中國在這一領(lǐng)域也齊頭并進(jìn)，不逞多讓。

玻色量子專注于光量子技術(shù)路線，目前已完成六輪融資。公司負(fù)責(zé)人表示，通用量子計算機(jī)實現(xiàn)困難，但專用量子計算機(jī)有望在3-5年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。目前，公司已在金融、通信、生命科學(xué)、AI、電力能源和材料化工等領(lǐng)域進(jìn)行市場化探索，如與藥企合作推進(jìn)生命科學(xué)應(yīng)用，與華夏銀行、平安銀行開展金融風(fēng)控合作。

圖靈量子同樣采用光量子技術(shù)路線。其智算事業(yè)部銷售總監(jiān)葛志斌介紹，公司成立于2021年，四年內(nèi)完成五輪融資，最近一次融資于2024年7月21日完成億元戰(zhàn)略輪融資，由盛世投資領(lǐng)投，重點用于光子芯片產(chǎn)品化研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化加速。2021年11月7日，上海交大無錫光子芯片聯(lián)合研究中心正式簽約，圖靈量子依托上海交大無錫光子芯片研究院開始建設(shè)國內(nèi)首條光子芯片中試線，總投資6.5億元。中試線的關(guān)鍵設(shè)備已于2024年1月開始進(jìn)場，標(biāo)志著中國在光子芯片領(lǐng)域邁入實質(zhì)性產(chǎn)業(yè)化階段。

國盾量子則選擇超導(dǎo)路線。其量子計算相關(guān)負(fù)責(zé)人張栩菁表示，量子計算與AI相互促進(jìn)，結(jié)合后將產(chǎn)生"1+1>2"的效果。目前全球已有4臺量子計算機(jī)實現(xiàn)量子優(yōu)越性，包括加拿大的北極光、谷歌的懸鈴木、中國的"九章"光量子計算機(jī)和"祖沖之"超導(dǎo)量子計算機(jī)系列。

中國移動近期發(fā)布"五岳量智"量子人工智能平臺、《量子AI賦能金融與生物醫(yī)藥應(yīng)用白皮書》以及量智融合算力開放計劃，顯示其對量子技術(shù)的進(jìn)一步加碼布局。中國移動自2019年開始布局量子科技，目前已牽頭承擔(dān)多項重大科研任務(wù)，攻關(guān)量子科技相關(guān)的基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用算法。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉表示，預(yù)計通過5-10年時間解決量子計算糾錯問題，到2035年或2040年構(gòu)建出容錯的通用量子計算機(jī)構(gòu)。

中國量子計算產(chǎn)業(yè)的多路線并進(jìn)，特別是光量子技術(shù)路線的快速發(fā)展，不僅推動了量子計算的商業(yè)化進(jìn)程，也為后摩爾時代的計算技術(shù)變革提供了重要支撐。隨著光子芯片技術(shù)的突破和量子計算應(yīng)用的拓展，中國有望在這一領(lǐng)域占據(jù)全球領(lǐng)先地位。