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（来源：量子客）
昨日（2026年3月12日），IBM正式发布了全新的混合量子计算架构——首个面向量子中心化超级计算（Quantum-Centric Supercomputing, QCSC）的参考架构。
通过将量子硬件与顶尖的经典处理器（CPU和GPU）深度融合，IBM正试图打破经典计算的性能瓶颈，将量子计算的优势引入到解决当下的实际问题中。
相关研究以“Reference Architecture of a Quantum-Centric Supercomputer”为题，于2026年3月12日提交至Arxiv。
01. 为什么我们需要“混合架构”？
尽管量子计算机在处理特定复杂问题时具有巨大潜力，但目前的量子硬件仍然存在噪声和易错的局限，距离实现完全容错的大规模量子计算仍有距离。为了在容错量子计算机问世前就能发挥其价值，混合计算架构（Hybrid Computing Architectures）成为了将量子技术推向市场的关键路径。
IBM研究总监兼IBM院士Jay Gambetta强调：“如今的量子处理器已经开始解决科学问题中最困难的部分——即化学中受量子力学支配的问题。计算的未来在于量子中心化超级计算，即量子处理器与经典高性能计算（HPC）协同工作，解决以前无法企及的难题。”
IBM此次发布的架构，正是为了让量子资源能够自然地融入现有的超级计算环境中，而不需要彻底颠覆现有的计算堆栈。
02. QCSC 演进路线图
IBM展示了QCSC架构的演进路线图，勾勒出一条清晰的发展路径：量子计算从最初作为经典超算的“外挂设备”，逐步演变成与经典CPU和GPU深度协同、统一调度的核心组件，最终走向从底层向上完全重新设计的量子超级计算机，从而支撑未来极高复杂度的混合计算工作负载。
具体而言，该路线图将技术演进划分为三个循序渐进的主要阶段：
第一阶段：量子作为HPC的协处理器 (约2026-2027年)
量子系统作为现有HPC基础设施中的专用计算卸载引擎（类似于GPU辅助CPU的工作模式）。强调量子硬件与现有HPC系统的物理共址（Co-location），开发重心在于基础的算法与应用探索，支持后选择量子纠错（Post-selected QEC）。在此阶段，两者处于松散耦合状态，系统主要通过基础网络进行作业提交和数据交换。
第二阶段：异构量子与HPC系统 (约2028-2030年)
量子与经典计算资源通过高级中间件实现紧密耦合（Tight coupling）。 系统引入专为混合算法设计的高级中间件，实现跨硬件架构的统一调度与资源管理，建立具备互操作性的结构（Interoperable fabric），并具备了近实时条件量子纠错（Near-time conditional QEC）能力。这一阶段极大地降低了系统间的通信延迟，支持在量子系统、扩展系统（GPU等）之间进行复杂的多级反馈循环。
第三阶段：紧密集成的量子与HPC系统 (约2031-2034年及以后)
在此阶段，QCSC架构演进为完全协同设计的异构量子与HPC系统。形成横跨量子与经典资源的统一编程模型，建立极高性能的量子-经典互操作计算网络，支持多租户并发执行（Multi-tenant execution），并最终实现保障大规模计算所需的实时量子纠错（Real-time QEC）。此时，量子系统已不再是独立的外部加速器，而是从底层硬件到编程模型都与经典加速器融为一体的统一计算平台。
03. 解构QCSC：融合量子与经典的蓝图
IBM发布的这一参考架构并非一个僵化的蓝图，而是一个开放、可组合且具备高度扩展性的框架。它依托开源软件、标准接口和模块化配置，使得高性能计算中心能够以渐进的方式引入量子能力。
该架构在技术实现上涵盖了以下几个核心层级：
一、底层硬件基础设施 (Hardware Infrastructure)
该层级实现了量子与HPC系统的三级集成。
最内层是包含量子处理单元（QPU，如IBM近期推出的大规模处理器Starling和Heron）和经典运行时的量子系统，通过实时互连进行通信。
向外延伸则是共址扩展系统（Scale-up co-located systems），由CPU和GPU组成，通过超低延迟网络（如ROCE、Ultra Ethernet、NVQLink等）与量子系统连接，用于执行计算密集型的错误检测和缓解任务。
最外层是横向扩展系统（Scale-out systems），支持云端或本地的模块化异构计算。
二、系统编排层 (System Orchestration)
混合工作流需要同时调度经典与量子资源。为此，IBM引入了量子资源管理接口（QRMI），这是一个开源库，能够抽象硬件细节，提供量子资源获取和任务运行的API。
通过集成类似于Slurm工作负载管理器的插件（如量子SPANK），系统能够像调度经典资源一样，对量子任务进行统一的排队和资源分配。
三、应用中间件与软件层 (Application Middleware)
在中间件层面，架构支持MPI、OpenMP等经典并行处理协议，并将其与针对量子电路优化的特殊中间件相结合。
例如，最新发布的开源软件生态系统Qiskit v2.0和v2.1，不仅引入了C语言外部函数接口（C FFI）以支持多语言扩展，还通过Samplomatic等包支持高级的经典错误缓解工具，为端到端的混合计算提供了强大的平台支撑。
04. 在化学与材料科学中的初步验证
“量子中心化超级计算”并非纸上谈兵，它已经在计算化学和物理学的前沿研究中展现出了超越经典算法的潜力。
最核心的突破在于，研究人员可以使用基于样本的量子对角化（SQD）等算法，将工作流中固有的量子部分交给QPU处理，而将其他步骤分配给GPU等经典节点。
以下为部分应用实例：
大规模蛋白质模拟：克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）与IBM合作，利用QCSC工作流和SQD算法，成功预测了包含300个原子（919个轨道）的Trp-cage微型蛋白质两种构象的相对能量。这不仅是迄今为止最大规模的分子模拟之一，其结果也达到了与经典的高级耦合簇（CCSD）方法相媲美的精度。
探索全新分子结构： 一支由IBM、牛津大学、苏黎世联邦理工学院等多家顶尖机构组成的团队，利用原子力显微镜等技术在实验室中合成了一种具有半扭曲结构的全新“半莫比乌斯（half-mobius）”碳环分子。随后，他们利用基于SQD的SqDRIFT算法，成功在量子计算机上预测了该分子的特性和行为。
算法的超越：在IBM、日本理化学研究所（RIKEN）和芝加哥大学的一项新研究中，一种名为SKQD（基于样本的克雷洛夫量子对角化）的新型混合算法，在处理某些特定的基态能量问题时成功收敛，而领先的纯经典方法（如SCI）则以失败告终。
就像理查德·费曼半个世纪前所畅想的那样，使用量子力学的规则去模拟真正的自然规律，正在成为现实。
IBM的首个量子超级计算参考架构，为传统的HPC数据中心提供了一条平滑过渡的路径，标志着量子计算正式作为一种“实用工具”加入了人类攻克疾病、设计新材料和探索未知的技术武器库。
然而，该架构不仅吸引了IBM，微软、英伟达等科技巨头也已入局。一个由CPU、GPU和QPU协同驱动的计算新纪元已经拉开帷幕！
引用：
[1]https://research.ibm.com/blog/quantum-centric-supercomputing-system-reference-architecture
[2]https://arxiv.org/abs/2603.10970
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