IBM 推出 Starling：容错量子计算路线图

by 哈罗德弗里茨 on 2025 年 6 月 20 日

IBM 宣布了一项大胆的愿景，即将推出全球首台大规模容错量子计算机，这标志着 IBM 向实用化和可扩展的量子计算迈出了关键一步。公司与此次公告一同发布的最新路线图，清晰阐述了克服长期以来将量子系统限制于实验和小规模应用的技术障碍的清晰路径。

IBM Quantum Starling：计算能力的飞跃

IBM 战略的核心是 IBM Quantum Starling，该系统预计将于 2029 年交付。这台量子计算机将部署在位于纽约州波基普西的全新 IBM Quantum 数据中心，预计其运算能力将比当今的量子计算机高出 20,000 万倍。Starling 的计算状态极其庞大，其所需的内存容量将超过全球最强大的超级计算机（10^48）的总和。凭借这一飞跃，用户将能够探索量子态和计算复杂性，而这些挑战将远远超出当前量子系统的能力范围。

IBM 的全球量子计算机阵容已然领先业界。即便如此，新的路线图仍为打造一台实用且容错的量子计算机奠定了基础，使其能够应对现实世界的商业和科学挑战。IBM 董事长兼首席执行官 Arvind Krishna 强调，公司的进步源于其在数学、物理和工程领域的深厚专业知识，所有这些都旨在打造一台能够解决重大问题并开启新商机的量子计算机。

容错量子计算的前景

一台拥有数百或数千个逻辑量子比特的大规模容错量子计算机，可以执行数亿甚至数十亿次运算。这种能力有望显著提高药物研发、材料科学、化学和复杂优化等领域的时间和成本效率，从而改变整个行业。

IBM Quantum Starling 将率先使用 100 个逻辑量子比特运行 200 亿次量子运算，为下一代 IBM Quantum Blue Jay 奠定基础，后者将扩展到 1 个逻辑量子比特，执行 2,000 亿次运算。逻辑量子比特是纠错量子计算机的基石，由多个物理量子比特集群构成，这些集群协同工作，用于存储量子信息并监测错误。这种架构对于抑制错误并实现大规模、可靠的量子计算至关重要。

IBM 量子系统二

纠错对量子计算的重要性不亚于对经典系统。通过将物理量子比特分组为逻辑量子比特，IBM 可以指数级降低错误率，从而实现更复杂、运行时间更长的量子电路。挑战在于如何在最大限度地减少所需物理资源的同时增加逻辑量子比特的数量——迄今为止，这一难题尚未找到一个不增加过多工程开销的实用解决方案。

设计可扩展、容错的架构

实现大规模容错量子计算的关键在于纠错码的选择以及系统有效扩展该码的能力。传统的纠错码虽然理论上有效，但需要数量惊人的物理量子比特和支持基础设施，这使其不适用于小规模演示以外的任何应用。

IBM 的方法由几个关键的架构要求定义，包括：

系统必须具有足够的容错能力，以抑制实际算法的错误。
它必须支持整个计算过程中逻辑量子位的准备、测量和操作。
通用指令必须适用于逻辑量子位，并具有实时解码和自适应控制。
该架构必须是模块化的，才能扩展到数百或数千个逻辑量子位，并且足够高效，能够在现实的物理和能量约束内运行。

为了应对这些挑战，IBM 发表了两篇技术论文，详细阐述了其解决方案。第一篇论文描述了量子低密度奇偶校验 (qLDPC) 码如何以显著降低的开销处理指令和执行操作，与以往方法相比，所需的物理量子比特数量减少了约 90%。这项突破性成果登上了《自然》杂志的封面，充分展现了 qLDPC 方法的高效性和可扩展性。

第二篇论文提出了一种利用传统计算资源高效解码物理量子比特信息并实时纠正错误的方法。这些进展共同构成了IBM可扩展、容错量子架构的基石。

实现路线图：关键里程碑

IBM 更新的量子路线图概述了一系列技术里程碑，每个里程碑都旨在解决构建模块化、可扩展和纠错量子计算机的特定挑战：

IBM Quantum Loon（2025年）： 该处理器将测试 qLDPC 码的架构组件，包括可在同一芯片上实现量子位之间长距离连接的“C 耦合器”。
IBM 量子 Kookaburra (2026)： 作为 IBM 的首款模块化处理器，Kookaburra 将量子存储器与逻辑运算相结合，形成在单个芯片上扩展容错系统的基本构建模块。
IBM Quantum Cockatoo（2027年）： 该系统将使用“L 型耦合器”将两个 Kookaburra 模块纠缠在一起，将量子芯片作为更大系统中的节点连接起来，从而无需使用不切实际的大型芯片。