IBM 推出 Starling：容錯量子運算路線圖

by 哈羅德弗里茨 on 2025 年 6 月 20 日

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IBM 宣布了一項大膽的願景，即將推出全球首台大規模容錯量子計算機，這標誌著 IBM 向實用化和可擴展的量子計算邁出了關鍵一步。公司與此公告一同發布的最新路線圖，清晰闡述了克服長期以來將量子系統限制於實驗和小規模應用的技術障礙的清晰路徑。

IBM Quantum Starling：運算能力的飛躍

IBM 策略的核心是 IBM Quantum Starling，預計將於 2029 年交付。這台量子電腦將部署在位於紐約州波基普西的全新 IBM Quantum 資料中心，預計其運算能力將比現今的量子電腦高出 20,000 萬倍。 Starling 的運算狀態極為龐大，其所需的記憶體容量將超過全球最強大的超級電腦（10^48）的總和。憑藉這一飛躍，用戶將能夠探索量子態和計算複雜性，而這些挑戰將遠遠超出當前量子系統的能力範圍。

IBM 的全球量子電腦陣容已然領先業界。即便如此，新的路線圖仍為打造一台實用且容錯的量子電腦奠定了基礎，使其能夠應對現實世界的商業和科學挑戰。 IBM 董事長兼執行長 Arvind Krishna 強調，公司的進步源於其在數學、物理和工程領域的深厚專業知識，所有這些都旨在打造一台能夠解決重大問題並開啟新商機的量子電腦。

容錯量子運算的前景

一台擁有數百或數千個邏輯量子位元的大規模容錯量子計算機，可以執行數億甚至數十億次運算。這種能力有望顯著提高藥物研發、材料科學、化學和複雜優化等領域的時間和成本效率，從而改變整個產業。

IBM Quantum Starling 將率先使用 100 個邏輯量子位元運行 200 億次量子運算，為下一代 IBM Quantum Blue Jay 奠定基礎，後者將擴展到 1 個邏輯量子位元，執行 2,000 億次運算。邏輯量子位元是糾錯量子電腦的基石，由多個實體量子位元集群構成，這些集群協同工作，用於儲存量子資訊並監測錯誤。這種架構對於抑制錯誤並實現大規模、可靠的量子運算至關重要。

IBM 量子系統二

糾錯對量子計算的重要性不亞於對經典系統。透過將實體量子位元分組為邏輯量子位元，IBM 可以指數級降低錯誤率，從而實現更複雜、運行時間更長的量子電路。挑戰在於如何在最大限度地減少所需物理資源的同時增加邏輯量子位元的數量——迄今為止，這一難題尚未找到一個不增加過多工程開銷的實用解決方案。

設計可擴充、容錯的架構

實現大規模容錯量子運算的關鍵在於糾錯碼的選擇以及系統有效擴展該碼的能力。傳統的糾錯碼雖然理論上有效，但需要數量驚人的實體量子位元和支援基礎設施，這使其不適用於小規模演示以外的任何應用。

IBM 的方法由幾個關鍵的架構需求定義，包括：

系統必須具有足夠的容錯能力，以抑制實際演算法的錯誤。
它必須支援整個計算過程中邏輯量子位元的準備、測量和操作。
通用指令必須適用於邏輯量子位，並具有即時解碼和自適應控制。
該架構必須是模組化的，才能擴展到數百或數千個邏輯量子位，並且足夠高效，能夠在現實的物理和能量約束內運作。

為了應對這些挑戰，IBM 發表了兩篇技術論文，詳細闡述了其解決方案。第一篇論文描述了量子低密度奇偶校驗 (qLDPC) 碼如何以顯著降低的開銷處理指令和執行操作，與以往方法相比，所需的實體量子位元數量減少了約 90%。這項突破性成果登上了《自然》雜誌的封面，充分展現了 qLDPC 方法的高效性和可擴展性。

第二篇論文提出了一種利用傳統運算資源高效解碼實體量子位元資訊並即時修正錯誤的方法。這些進展共同構成了IBM可擴展、容錯量子架構的基石。

實現路線圖：關鍵里程碑

IBM 更新的量子路線圖概述了一系列技術里程碑，每個里程碑都旨在解決建構模組化、可擴展和糾錯量子電腦的特定挑戰：

IBM Quantum Loon（2025）： 該處理器將測試 qLDPC 碼的架構組件，包括可在同一晶片上實現量子位元之間長距離連接的「C 耦合器」。
IBM 量子 Kookaburra (2026)： 作為 IBM 的首款模組化處理器，Kookaburra 將量子記憶體與邏輯運算結合，形成在單一晶片上擴展容錯系統的基本建構模組。
IBM Quantum Cockatoo（2027）： 該系統將使用「L 型耦合器」將兩個 Kookaburra 模組糾纏在一起，將量子晶片作為更大系統中的節點連接起來，從而無需使用不切實際的大型晶片。