全球唯一？IBM更新量子计算路线图：2029年交付！

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）近年来，量子计算似乎正在取得越来越多突破，国内外都涌现出不少的技术以及产品突破。作为量子计算领域的先驱之一，IBM近日公布了其量子计算路线图，宣布将在2029年交付全球首个大规模容错量子计算机——IBM Quantum Starling。

同时IBM也推出了两篇技术论文，详细介绍他们是如何解决搭建大规模容错架构的问题。

IBM量子计算路线图

其实从2020年开始，IBM一直按着此前制定的路线图稳步推进量子计算。最近公布的是最新的修订版路线图，IBM规划了从2025年到2033年及以后的道路。

IBM表示，到目前为止他们已经成功实现了此前的每一个里程碑，基于过去的成功，IBM对未来的发展充满信心。“从我们目前看到的情况来看，IBM是世界上唯一一个能够在2030年内运行数百个逻辑量子比特规模、数百万量子门级别量子计算程序运行的量子计算机构。”

在最新的路线图中，IBM计划在2025年推出一款量子芯片——IBM Quantum Loon。这款芯片具有更强连接能力和相应架构的量子芯片，目的是为高码率qLDPC码（低密度奇偶校验码）开展概念验证实验，以及包括用于实现量子比特之间的长距离耦合的c-couplers（耦合器）。

2026年，IBM将推出第一个量子处理器模块化Kookaburra，这将是第一个能够在qLDPC存储器中存储信息并通过附加的LPU处理信息的量子处理器模块，将容错系统扩展到单个芯片之外。

2027年，Cockatoo将使用L-couplers，实现两个Kookaburra模块间的缠绕，从而像连接大型系统中的节点一样将量子芯片连接在一起，避免构建不切实际的大型芯片。

到2028年，Starling系统将验证多模块魔法态注入。2029年，Starling最终扩展至支持1亿量子门和200逻辑量子位的系统。

在2033年后，Starling将作为搭建Blue Jay的基础，未来Blue Jay将实现超过2000个逻辑量子位和10亿量子门。

如何实现大规模容错？

在量子计算中，大规模运算跟目前现有的经典计算器一样，都面临着纠错的问题。但相比经典计算机，量子计算机的特性导致了其难以解决纠错问题，尤其是大规模运算中。

比如经典计算机中纠错可以通过复制冗余，比如三个bit存储1个信息，有效提高信息传递的正确率。

而量子态不可克隆的定理导致无法复制量子信息，因此需要纠缠编码将信息分布到多个物理量子比特中，形成逻辑量子比特。

另外，像经典计算机的错误只有比特翻转一种，也就是0变成1，或者1变成0。但量子错误就有多种类型，包括比特翻转、相位翻转、混合错误等，同时错误还是连续的，并非离散，这直接导致了大规模量子纠错的难度极高。

简单来说就是，如果要让一台量子计算机进行复杂算法的大规模运算，为了进行纠错，每个逻辑量子位需要数千个物理量子位支持，资源消耗和工程难度都极大。

用尽可能少的物理量子位，创造更多逻辑量子位，是实现大规模容错，让量子计算机商业化的关键。

IBM提到，要实现高效容错架构，取决于纠错码的选择，以及系统的软硬件设计是否能够支持该编码方案的扩展。在最新公布的论文中，IBM提出实现可扩展可靠量子计算架构的六大标准：

容错性：逻辑错误被充分抑制，以确保有意义的算法成功执行。

可寻址性：计算过程中可单独准备或测量逻辑量子比特。

通用性：支持对逻辑量子比特应用通用量子指令集。

自适应性：测量结果可实时解码并调整后续量子指令。

模块化：硬件分布于可替换模块中，通过量子连接集成。

高效性：有意义的算法可用合理的物理资源执行。

为了解决这些问题，IBM的两篇论文分别聚焦于大规模容错量子计算的硬件架构设计，以及降低容错量子计算的资源消耗。

其中，大规模容错量子计算硬件架构设计中，核心是双变量自行车码（bivariate bicycle codes）。这是一类基于双变量多项式 （bivariate polynomials）构造的qLDPC码，核心特点是长距离连接能力、模块化设计和高阈值特性。

其中，Gross码和Two-Gross码是双变量自行车码的子类，但它们的设计目标、参数和应用场景有所不同。比如Gross码是表示用144个物理量子位编码12个逻辑量子位，码距为12，通过长距离连接实现高效的综合征测量电路，特点是资源消耗较低，适合中等规模量子计算系统。

而Two-Gross码用288个物理量子位编码12个逻辑量子位，码距提升至18，通过增加物理量子位数量实现更强的错误抑制能力，适合大规模容错量子计算等高可靠性场景。

通过前面的内容我们也了解到，降低量子计算的资源消耗，也是实现量子计算商业化的关键。IBM提出的方案是，通过改进量子纠错码设计、解码算法和拓扑保护策略，降低大规模容错系统的资源消耗。

首先是提出了一种基于调节逻辑算符（Gauging Logical Operators）和分层存储器架构 （Hierarchical Memories）的低开销容错框架。前者通过动态调整逻辑门操作的生成元，减少冗余物理资源需求；后者利用局部测试降低大规模qLDPC码的解码复杂度，将全局纠错分解为多个子问题，显著减少计算时间。

其次是优化量子纠错码的解码算法效率，以及分析拓扑码在非均匀噪声环境下的稳定性，优化存储器的容错。

另外，IBM还对qLDPC码实用化提出解决方案，比如通过并行化逻辑测量和桥接码（Bridging Codes），降低多模块系统中的纠缠开销；提出基于魔法态喷泉（Magic State Fountain）的策略，优化同源积码中的T门生成，减少Magic State制备的资源消耗。

总体来看，这两篇论文分别从硬件实现和理论优化角度推动容错量子计算的工程化进展，共同支撑了IBM提出的“Starling”路线图。

量子计算商业落地进展

今年以来，国内外商业量子计算领域也出现了不少进展。5月6日，本源量子宣布正式推出支持500+量子比特的中国第四代自主量子计算测控系统本源天机4.0，标志着我国量子计算产业已具备可复制、可迭代的工程化生产能力，为百比特级量子计算机量产奠定了产业化基础。量子计算测控系统是量子计算机的神经中枢，承担着量子芯片精密信号生成、采集与控制的核心职能。

安徽省量子计算工程研究中心副主任、本源天机研制团队负责人孔伟成博士介绍，团队通过完全自主研发的系列底层软硬件架构，进一步增强了对量子芯片的高效控制与精准读取，可大幅缩短量子计算机的研发与交付时间。除此之外，本源天机4.0还额外搭载四大核心软件——量子计算测控系统服务端管理软件Naga&Venus、超导量子比特底层操控服务软件Monster、全界面量子芯片调控分析应用软件Visage以及量子计算机操作系统连接软件Storm。

5月20日，美国量子计算公司D-Wave Quantum 在官网宣布，其最先进、性能最强的Advantage2量子计算系统正式上市。这是一款强大且节能的退火型量子计算机，具备解决传统计算机难以应对的复杂计算问题的能力。该系统搭载了D-Wave迄今为止最先进的量子处理器，具备商业级品质，专为优化、材料模拟以及人工智能等现实应用场景而设计。

据D-Wave介绍，Advantage2量子处理器性能较上一代显著提升，处理器采用Zephy拓扑结构，具有20路量子位间连接能力，可嵌入更复杂的问题模型。系统能量尺度提升40%，噪声降低75%，为复杂计算提供更高质量的解决方案。快速退火机制支持大规模相干退火计算，大幅降低热波动等外界干扰对计算的影响。

量旋科技在5月底的深圳国际人工智能展上，也展出了一系列量子计算产品，包括超导量子芯片——少微、全球首台便携式量子计算机“双子座mini”、全栈式量子计算实验平台量旋双子座Lab等。

写在最后

量子计算领域还有众多国内外商业公司、研究机构、高校等在持续投入开发，从发展路径来看，量子计算要实现真正的商业化应用，还需要一个漫长的渐进过程。但从IBM的路线图，以及全球范围的进展来看，量子计算的商业落地奇点似乎正在加速向我们走来。

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