IBM 发布最新量子计算路线图，将打造全球首台大规模容错量子计算机

2025年6月12日,IBM宣布将打造全球首台大规模容错量子计算机IBM Quantum Starling，向可落地、可扩展的量子计算迈出了重要一步。

IBM Quantum Starling 预计于 2029 年在美国纽约州波基普西的全新IBM量子数据中心完成交付，其运算能力将比当今的量子计算机高出 2万倍。表征IBM Quantum Starling的计算状态，需要超过10⁴⁸（一百万亿亿亿亿）台目前最强大的超级计算机的内存。借助IBM Quantum Starling，用户有望突破当前量子计算机的性能限制，充分探索其量子态的复杂性。

IBM 已在全球运营着大量的量子计算机，此次发布的最新量子计算路线图展示了其构建实用的容错量子计算机的计划。

IBM 董事长、首席执行官 Arvind Krishna 表示：“IBM 正在开拓量子计算的下一个前沿领域。我们在数学、物理和工程方面的专业知识正在为大规模容错量子计算机铺平道路——它不仅将解决现实世界的挑战，并释放巨大的潜在商业价值。”

具有数百或数千个逻辑量子比特（logical qubit）的大规模容错量子计算机可以运行数亿到数十亿次运算，加速药物开发、材料发现、化学和优化等工作，并显著提升成本效率。

IBM Quantum Starling 将使用 200 个逻辑量子比特实现1 亿次量子运算，以此获得解决上述问题所需的计算能力。它将成为下一代量子计算机IBM Quantum Blue Jay 的基础，后者或将使用2000 个逻辑量子比特运行10 亿次量子运算。

逻辑量子比特是纠错量子计算机的一个单元，负责存储一个量子比特的量子信息。一个逻辑量子比特由多个物理量子比特（physical qubit）组成，后者协同工作以存储量子信息，并相互监视错误。

与传统计算机一样，量子计算机需要进行纠错才能无故障地运行大量工作负载。为此，研究人员使用物理量子比特集群，来创建比底层物理量子比特数量更少、错误率更低的逻辑量子比特。随着集群规模的扩大，逻辑量子比特的错误率呈指数级下降，从而进行更大规模的运算。

使用尽可能少的物理量子比特创建更多的逻辑量子比特，并用于执行量子线路，这对于实现规模化的量子计算至关重要。直到今天，研究人员尚未找到明确途径，来构建一个无需巨量工程开销的容错系统。

量子计算的大规模容错路径

执行高效容错架构的关键在于纠错码的选择，以及如何设计和构建相应的系统，实现该纠错码的大规模使用。

此前被视为“黄金标准”的纠错码，以及其他的替代方案，往往面临根本性的工程挑战。为了扩大规模，它们需要足够的逻辑量子位来执行复杂操作，而这意味着“天量”（不可能实现的数量）的物理量子位、基础设施和控制电子设备。因此，小规模的实验和设备无法实现这一目标。

一台兼顾实用性和规模化的容错量子计算机所需的架构应该：

具备高容错性，通过高效纠错确保算法的有效性。
具备准备和测算逻辑量子比特的计算能力。
能够将通用指令应用于逻辑量子比特。
实时解码逻辑量子比特的测量值，并改变后续指令。
采用模块化设计，可扩展到数百或数千个逻辑量子比特来运行复杂运算。
高效利用现有物理资源（例如能源和基础设施）运行有意义的算法。

IBM 最新发表的两篇技术论文，详细介绍了如何解决上述标准以构建大规模容错架构。

第一篇论文探讨了系统如何使用qLDPC 纠错码有效地处理指令并运行操作。这项研究基于《自然》杂志的一篇封面文章介绍的突破性纠错方法，尤其是量子低密度奇偶校验(qLDPC) 纠错码。与其他主流的纠错码相比，该代码大幅减少了纠错所需的物理量子比特的数量，并将所需开销减少约 90%。此外，论文还列出了可靠运行大规模量子程序所需的资源，以证明这种架构相对于其他架构的效率。

第二篇论文主要讨论如何有效地解码来自物理量子比特的信息，并指出了一条利用传统计算资源实时识别和纠正错误的可行路径。

从路线图到现实

最新的 IBM 量子计算路线图展示了执行容错标准的关键技术里程碑。为了实现模块化、可扩展和纠错的量子计算机，IBM还将推出一系列量子处理器攻克相应的技术难关：

IBM Quantum Loon 预计于 2025年推出，旨在测试 qLDPC 代码的架构组件，包括在同一芯片内连接更远距离量子比特的”C 耦合器”。
IBM Quantum Kookaburra预计于2026年推出，将成为 IBM 首款用于存储和处理编码信息的模块化量子处理器。它将量子存储与逻辑运算结合起来——这是将容错系统扩展到单个芯片之外的关键步骤。
IBM Quantum Cockatoo预计于 2027 年推出，它将使用“L 型耦合器”将两个Kookaburra 模块连接起来。这种架构可以让量子芯片像系统节点一样连接起来，从而避免建造超大单一芯片。