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

近年來，全球量子計算領(lǐng)域發(fā)展迅猛：無論是前沿技術(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)布了最新的量子計算路線圖，首次宣布計劃在2029年正式交付全球首臺大規(guī)模容錯型量子計算機(jī)——IBM Quantum Starling。

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

IBM 量子計算技術(shù)藍(lán)圖

近年來，IBM一直穩(wěn)步按照既定發(fā)展路徑推動量子計算進(jìn)展。今年公布的，是自2021年后又一次重磅升級的“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)的每一個關(guān)鍵節(jié)點都已如期達(dá)成。基于此，公司對下一步發(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年前推動百邏輯量子比特、百萬量子門級應(yīng)用程序真正落地?！?/p>

接下來的時間線亮點包括：

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（低密度奇偶校驗碼）理論驗證，并引入c-couplers，提升量子比特長距離的耦合性能。

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

2027年：Cockatoo系統(tǒng)采用L-couplers，實現(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平臺支持多模塊魔法態(tài)注入，將容錯能力擴(kuò)展到系統(tǒng)級。

2029年：預(yù)計實現(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)，未來后者有望突破2000邏輯量子比特、10億量子門能力。

容錯能力：大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵門檻

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

舉例說，經(jīng)典糾錯通?？繑?shù)據(jù)冗余來實現(xiàn)，例如用3個比特存1個信息。而在量子世界，因克隆不可行，只能通過量子態(tài)編碼將信息分布到多個物理量子比特，從而構(gòu)造“邏輯量子比特”。

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

因此，要讓量子計算機(jī)真正實現(xiàn)復(fù)雜問題求解，往往每一個邏輯量子比特都需配備數(shù)千個物理量子比特，資源消耗巨大，工程實現(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，實現(xiàn)高效容錯量子計算，取決于編碼方式與硬件架構(gòu)配合設(shè)計。他們在最新論文中提出大型可靠系統(tǒng)的六項標(biāo)準(zhǔn)：

容錯性：邏輯錯誤須充分壓制，確保算法有效運(yùn)行。

可尋址性：每個邏輯量子比特在計算過程中均能單獨(dú)操作和測量。

通用性：可對邏輯量子比特施加通用量子指令。

自適應(yīng)性：核心測量結(jié)果可實時反饋、動態(tài)調(diào)整后續(xù)指令。

模塊化：架構(gòu)便于分塊，并能通過量子鏈路靈活組裝。

高效性：執(zhí)行實際算法時物理資源消耗可控。

針對這些難點，IBM的最新研究成果主要集中在以下幾個方面：

1. 創(chuàng)新型qLDPC糾錯碼架構(gòu)

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

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碼則通過提升物理比特數(shù)進(jìn)一步壓低錯誤率，更適合大規(guī)模、高可靠性運(yùn)算場景。

2. 容錯資源優(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“分層存儲器架構(gòu)（Hierarchical Memories）”的低開銷容錯框架。通過動態(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算量。

此外，針對qLDPC碼設(shè)計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，國內(nèi)外量子產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)同樣動作頻頻：

中國本源量子于今年5月正式發(fā)布支持500+量子比特的“本源天機(jī)4.0”自主量子計算測控系統(tǒng)，標(biāo)志國內(nèi)已實現(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等場景創(chuàng)造新可能。

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

結(jié)語

可見，無論是IBM的整體戰(zhàn)略，還是全球同行的集體努力，都在推動量子計算從“實驗室”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，但變革勢能與技術(shù)突破的速度，正讓這一領(lǐng)域的“奇點”離我們越來越近。