量子運算進駐數據中心 極低溫與混合架構成發展關鍵

商傳媒｜何映辰／台北報導

隨著量子電腦逐步走向實用化，它們在數據中心的部署方式正成為科技業界關注的焦點。根據《Quartz》報導，量子電腦在數據中心內部的運作，其「量子」部分實際上只佔一小部分，多數仍依賴傳統（古典）硬體來維持運作。

量子處理器中的量子位元（qubits）必須在極端低溫下才能維持其量子特性，例如約 10 毫克耳文（millikelvin），此溫度甚至比外太空還要冷。微軟量子部門企業副總裁 Zulfi Alam 指出，這個需要極低溫維持的部分，體積大約只有汽水罐大小，而其他部分則由古典電子設備、致冷系統、線路以及連結量子處理單元（QPU）與中央處理器（CPU）、繪圖處理器（GPU）的介面層構成。目前一套完整的量子系統約消耗 30 瓩電力，其中大部分用於保持量子位元極低溫狀態，而非實際運算。

超低溫致冷技術的挑戰與創新

要達到如此極端的低溫，主要仰賴一種特殊的低溫裝置——稀釋致冷機（dilution refrigerator）。它利用氦-3和氦-4兩種氦同位素的量子特性來吸收周圍熱量，可讓溫度降至接近絕對零度的毫克耳文範圍。目前實驗室規模的稀釋致冷機需要 5 到 10 瓩的電力。在大型量子運算數據中心，為確保穩定性，更先進的致冷階段和冗餘冷卻會導致功耗更高。

例如，IBM 與日本理化學研究所（RIKEN）合作，在理化學研究所部署了美國以外首座的 IBM Quantum System Two，其核心即採用 Bluefors KIDE Cryogenic Platform。此平台配備三個獨立的稀釋致冷單元及九個脈衝管致冷機，支援超過 1,000 個量子位元運作，並具備超過 4,000 條射頻線路與 500 公斤的酬載能力。然而，連接量子位元的同軸電纜不僅傳導熱量，其數量也受限於致冷能力和物理空間，限制了系統的擴展性。

整合控制電子設備提升擴展性

為了解決控制線路不易擴展的問題，業界正努力將控制電子設備更接近量子位元。英特爾（Intel）開發的 Horse Ridge II 低溫控制晶片，便能將關鍵控制功能整合至低溫致冷機內，並在 4 開爾文（Kelvin）的溫度下運作。此外，英特爾的 Pando Tree 晶片更進一步，能在 10 至 20 毫克耳文的極低溫下，將矽自旋量子位元的控制電子設備分散佈署於量子位元旁。微軟也持續開發 Majorana 1 chip，此款基於拓撲超導體的晶片可創建更穩定的量子位元，並以快速、小型化及數位控制為目標，使其適合數據中心應用。

量子與古典運算的混合架構

量子電腦並非獨立運作，而是與傳統的 CPU 和 GPU 共同構成混合運算系統。IBM 提出量子中心超級運算的參考架構，旨在將量子處理單元整合到高效能運算系統中。根據微軟 Zulfi Alam 的說法，未來運算將趨向混合式系統，讓 CPU、GPU 和 QPU 協同工作。

IBM 與理化學研究所的合作案便是一個典範，他們將 IBM Quantum System Two 與理化學研究所的 Fugaku 超級電腦（Fugaku）並置，透過高速網路在基礎指令層級進行連結，實現量子與古典運算資源的無縫整合。這種安排已成功用於大規模的鐵硫簇量子模擬，透過 IBM Quantum Heron 處理器與 Fugaku 超級電腦的 152,064 個古典運算節點之間進行數據閉環交換。

輝達（Nvidia）也發表了全球首個開源量子人工智慧模型 Ising，並將其與用於混合量子古典運算的 CUDA-Q 軟體平台以及 NVQLink QPU-GPU 硬體互連技術整合，旨在協助研究人員和企業開發實用的量子應用程式。