IBM更新量子計(jì)算路線圖:2029年交付!

2025-6-16 9:44:00
  • 量子計(jì)算進(jìn)入加速發(fā)展期,技術(shù)突破不斷涌現(xiàn)

IBM更新量子計(jì)算路線圖:2029年交付!

量子計(jì)算進(jìn)入加速發(fā)展期,技術(shù)突破不斷涌現(xiàn)

近年來(lái),全球量子計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展迅猛:無(wú)論是前沿技術(shù)還是商業(yè)產(chǎn)品,均有新突破現(xiàn)身。作為行業(yè)“老大哥”之一的IBM,近期發(fā)布了最新的量子計(jì)算路線圖,首次宣布計(jì)劃在2029年正式交付全球首臺(tái)大規(guī)模容錯(cuò)型量子計(jì)算機(jī)——IBM Quantum Starling。

與此同時(shí),IBM也公開了兩篇關(guān)鍵技術(shù)論文,詳盡闡述了其在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)架構(gòu)上的技術(shù)方法和原理。

IBM 量子計(jì)算技術(shù)藍(lán)圖

近年來(lái),IBM一直穩(wěn)步按照既定發(fā)展路徑推動(dòng)量子計(jì)算進(jìn)展。今年公布的,是自2021年后又一次重磅升級(jí)的“路線圖”,明確了2025年到2033年以及更遠(yuǎn)階段的目標(biāo)。

據(jù)IBM官方強(qiáng)調(diào),目前為止,其量子研發(fā)的每一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都已如期達(dá)成。基于此,公司對(duì)下一步發(fā)展持續(xù)充滿信心,并表示:“全球范圍內(nèi),目前僅有IBM有望在2030年前推動(dòng)百邏輯量子比特、百萬(wàn)量子門級(jí)應(yīng)用程序真正落地?!?/p>

接下來(lái)的時(shí)間線亮點(diǎn)包括:

2025年:IBM將推出新一代Quantum Loon芯片,該芯片連接能力更強(qiáng),支持qLDPC(低密度奇偶校驗(yàn)碼)理論驗(yàn)證,并引入c-couplers,提升量子比特長(zhǎng)距離的耦合性能。

2026年:模塊化Kookaburra量子處理器面世,首次支持qLDPC存儲(chǔ)、LPU分塊處理的單元化擴(kuò)展,為跨芯片容錯(cuò)奠定基礎(chǔ)。

2027年:Cockatoo系統(tǒng)采用L-couplers,實(shí)現(xiàn)不同處理器模塊間的糾纏連接。這樣,不需要制造超大芯片也能規(guī)模性擴(kuò)展。

2028年:Starling平臺(tái)支持多模塊魔法態(tài)注入,將容錯(cuò)能力擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)。

2029年:預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)1億量子門操作、200邏輯量子比特的商業(yè)Starling系統(tǒng)。

2033年及以后:Starling進(jìn)一步成為Blue Jay體系基礎(chǔ),未來(lái)后者有望突破2000邏輯量子比特、10億量子門能力。

容錯(cuò)能力:大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵門檻

量子計(jì)算機(jī)若想用于復(fù)雜、大規(guī)模的算法,與經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣,必須具備高效、可靠的糾錯(cuò)機(jī)制。但由于量子信息不可克隆、錯(cuò)誤類型繁復(fù)且連續(xù),這一難題遠(yuǎn)非傳統(tǒng)技術(shù)可比。

舉例說(shuō),經(jīng)典糾錯(cuò)通常靠數(shù)據(jù)冗余來(lái)實(shí)現(xiàn),例如用3個(gè)比特存1個(gè)信息。而在量子世界,因克隆不可行,只能通過(guò)量子態(tài)編碼將信息分布到多個(gè)物理量子比特,從而構(gòu)造“邏輯量子比特”。

另外,經(jīng)典計(jì)算錯(cuò)誤類型有限,主要是比特翻轉(zhuǎn)(如 0?1);而量子錯(cuò)誤則分為比特翻轉(zhuǎn)、相位翻轉(zhuǎn)、以及復(fù)雜混合型等,且呈連續(xù)變化,這極大放大了糾錯(cuò)難度。

因此,要讓量子計(jì)算機(jī)真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問(wèn)題求解,往往每一個(gè)邏輯量子比特都需配備數(shù)千個(gè)物理量子比特,資源消耗巨大,工程實(shí)現(xiàn)門檻難以逾越。如何以最少的硬件獲得最多的可靠邏輯量子比特,成為行業(yè)核心挑戰(zhàn)。

IBM的技術(shù)攻關(guān)與理論創(chuàng)新

據(jù)IBM介紹,實(shí)現(xiàn)高效容錯(cuò)量子計(jì)算,取決于編碼方式與硬件架構(gòu)配合設(shè)計(jì)。他們?cè)谧钚抡撐闹刑岢龃笮涂煽肯到y(tǒng)的六項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn):

容錯(cuò)性:邏輯錯(cuò)誤須充分壓制,確保算法有效運(yùn)行。

可尋址性:每個(gè)邏輯量子比特在計(jì)算過(guò)程中均能單獨(dú)操作和測(cè)量。

通用性:可對(duì)邏輯量子比特施加通用量子指令。

自適應(yīng)性:核心測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋、動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)指令。

模塊化:架構(gòu)便于分塊,并能通過(guò)量子鏈路靈活組裝。

高效性:執(zhí)行實(shí)際算法時(shí)物理資源消耗可控。

針對(duì)這些難點(diǎn),IBM的最新研究成果主要集中在以下幾個(gè)方面:

1. 創(chuàng)新型qLDPC糾錯(cuò)碼架構(gòu)

IBM采用基于“雙變量多項(xiàng)式”構(gòu)建的自行車碼(bivariate bicycle codes),靈活支持長(zhǎng)距離連接、模塊化部署,并提升錯(cuò)誤抑制閾值。

典型代表有Gross碼和Two-Gross碼。Gross碼以更少物理資源編碼12個(gè)邏輯量子比特,適合中規(guī)模任務(wù),強(qiáng)調(diào)資源經(jīng)濟(jì)性;Two-Gross碼則通過(guò)提升物理比特?cái)?shù)進(jìn)一步壓低錯(cuò)誤率,更適合大規(guī)模、高可靠性運(yùn)算場(chǎng)景。

2. 容錯(cuò)資源優(yōu)化方法

為減輕資源壓力,IBM提出了“調(diào)節(jié)邏輯算符(Gauging Logical Operators)”和“分層存儲(chǔ)器架構(gòu)(Hierarchical Memories)”的低開銷容錯(cuò)框架。通過(guò)動(dòng)態(tài)選擇控制算符與局部化分步解碼,大幅降低總體物理資源和解碼計(jì)算量。

此外,針對(duì)qLDPC碼設(shè)計(jì)和解碼算法效率持續(xù)改進(jìn),并提出拓?fù)浯a在不均勻噪聲下的新型容錯(cuò)優(yōu)化方案。

3. 并行化擴(kuò)展,提升魔法態(tài)注入效率

IBM還探索了邏輯測(cè)量的并行加速與橋接碼(Bridging Codes)應(yīng)用,有效降低多處理器間糾纏開銷。同時(shí)引入魔法態(tài)噴泉(Magic State Fountain)等省資源T門生成策略,為商用系統(tǒng)節(jié)約關(guān)鍵資源。

商業(yè)化落地步伐加快

不止IBM,國(guó)內(nèi)外量子產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)同樣動(dòng)作頻頻:

中國(guó)本源量子于今年5月正式發(fā)布支持500+量子比特的“本源天機(jī)4.0”自主量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng),標(biāo)志國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)工程化、可批量生產(chǎn)能力。本源天機(jī)4.0提供端到端軟硬件生態(tài),強(qiáng)化了對(duì)量子芯片高效精控和精準(zhǔn)數(shù)據(jù)讀寫能力,顯著縮短開發(fā)和交付周期。

美國(guó)D-Wave在5月推出最新一代Advantage2退火型量子系統(tǒng),系統(tǒng)采用全新拓?fù)浼軜?gòu)和更高的量子比特連通性,能源效率提升40%,噪聲能耗顯著下降,為優(yōu)化類、材料模擬及AI等場(chǎng)景創(chuàng)造新可能。

量旋科技則在今年深圳國(guó)際AI展亮相多款創(chuàng)新型設(shè)備,其中包括便攜式量子計(jì)算機(jī)、“雙子座Lab”全棧式平臺(tái)等,展示了國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)芯片及配套測(cè)控技術(shù)的進(jìn)步。

結(jié)語(yǔ)

可見,無(wú)論是IBM的整體戰(zhàn)略,還是全球同行的集體努力,都在推動(dòng)量子計(jì)算從“實(shí)驗(yàn)室”邁向“產(chǎn)業(yè)化”。雖然量子商用還需數(shù)年甚至更久的積淀,但變革勢(shì)能與技術(shù)突破的速度,正讓這一領(lǐng)域的“奇點(diǎn)”離我們?cè)絹?lái)越近。