電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）近年來，量子計算似乎正在取得越來越多突破，國內(nèi)外都涌現(xiàn)出不少的技術(shù)以及產(chǎn)品突破。作為量子計算領(lǐng)域的先驅(qū)之一，IBM近日公布了其量子計算路線圖，宣布將在2029年交付全球首個大規(guī)模容錯量子計算機——IBM Quantum Starling。

同時IBM也推出了兩篇技術(shù)論文，詳細(xì)介紹他們是如何解決搭建大規(guī)模容錯架構(gòu)的問題。

IBM量子計算路線圖

其實從2020年開始，IBM一直按著此前制定的路線圖穩(wěn)步推進(jìn)量子計算。最近公布的是最新的修訂版路線圖，IBM規(guī)劃了從2025年到2033年及以后的道路。

IBM表示，到目前為止他們已經(jīng)成功實現(xiàn)了此前的每一個里程碑，基于過去的成功，IBM對未來的發(fā)展充滿信心?！皬奈覀兡壳翱吹降那闆r來看，IBM是世界上唯一一個能夠在2030年內(nèi)運行數(shù)百個邏輯量子比特規(guī)模、數(shù)百萬量子門級別量子計算程序運行的量子計算機構(gòu)。”

2025 IBM量子路線圖 來源：IBM

在最新的路線圖中，IBM計劃在2025年推出一款量子芯片——IBM Quantum Loon。這款芯片具有更強連接能力和相應(yīng)架構(gòu)的量子芯片，目的是為高碼率qLDPC碼（低密度奇偶校驗碼）開展概念驗證實驗，以及包括用于實現(xiàn)量子比特之間的長距離耦合的c-couplers（耦合器）。

2026年，IBM將推出第一個量子處理器模塊化Kookaburra，這將是第一個能夠在qLDPC存儲器中存儲信息并通過附加的LPU處理信息的量子處理器模塊，將容錯系統(tǒng)擴(kuò)展到單個芯片之外。

2027年，Cockatoo將使用L-couplers，實現(xiàn)兩個Kookaburra模塊間的纏繞，從而像連接大型系統(tǒng)中的節(jié)點一樣將量子芯片連接在一起，避免構(gòu)建不切實際的大型芯片。

Starling系統(tǒng)渲染圖 來源：IBM

到2028年，Starling系統(tǒng)將驗證多模塊魔法態(tài)注入。2029年，Starling最終擴(kuò)展至支持1億量子門和200邏輯量子位的系統(tǒng)。

在2033年后，Starling將作為搭建Blue Jay的基礎(chǔ)，未來Blue Jay將實現(xiàn)超過2000個邏輯量子位和10億量子門。

如何實現(xiàn)大規(guī)模容錯？

在量子計算中，大規(guī)模運算跟目前現(xiàn)有的經(jīng)典計算器一樣，都面臨著糾錯的問題。但相比經(jīng)典計算機，量子計算機的特性導(dǎo)致了其難以解決糾錯問題，尤其是大規(guī)模運算中。

比如經(jīng)典計算機中糾錯可以通過復(fù)制冗余，比如三個bit存儲1個信息，有效提高信息傳遞的正確率。

而量子態(tài)不可克隆的定理導(dǎo)致無法復(fù)制量子信息，因此需要糾纏編碼將信息分布到多個物理量子比特中，形成邏輯量子比特。

另外，像經(jīng)典計算機的錯誤只有比特翻轉(zhuǎn)一種，也就是0變成1，或者1變成0。但量子錯誤就有多種類型，包括比特翻轉(zhuǎn)、相位翻轉(zhuǎn)、混合錯誤等，同時錯誤還是連續(xù)的，并非離散，這直接導(dǎo)致了大規(guī)模量子糾錯的難度極高。

簡單來說就是，如果要讓一臺量子計算機進(jìn)行復(fù)雜算法的大規(guī)模運算，為了進(jìn)行糾錯，每個邏輯量子位需要數(shù)千個物理量子位支持，資源消耗和工程難度都極大。

用盡可能少的物理量子位，創(chuàng)造更多邏輯量子位，是實現(xiàn)大規(guī)模容錯，讓量子計算機商業(yè)化的關(guān)鍵。

IBM提到，要實現(xiàn)高效容錯架構(gòu)，取決于糾錯碼的選擇，以及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計是否能夠支持該編碼方案的擴(kuò)展。在最新公布的論文中，IBM提出實現(xiàn)可擴(kuò)展可靠量子計算架構(gòu)的六大標(biāo)準(zhǔn)：

容錯性：邏輯錯誤被充分抑制，以確保有意義的算法成功執(zhí)行。
可尋址性：計算過程中可單獨準(zhǔn)備或測量邏輯量子比特。
通用性：支持對邏輯量子比特應(yīng)用通用量子指令集。
自適應(yīng)性：測量結(jié)果可實時解碼并調(diào)整后續(xù)量子指令。
模塊化：硬件分布于可替換模塊中，通過量子連接集成。
高效性：有意義的算法可用合理的物理資源執(zhí)行。

為了解決這些問題，IBM的兩篇論文分別聚焦于大規(guī)模容錯量子計算的硬件架構(gòu)設(shè)計，以及降低容錯量子計算的資源消耗。

其中，大規(guī)模容錯量子計算硬件架構(gòu)設(shè)計中，核心是雙變量自行車碼（bivariate bicycle codes）。這是一類基于雙變量多項式 （bivariate polynomials）構(gòu)造的qLDPC碼，核心特點是長距離連接能力、模塊化設(shè)計和高閾值特性。

其中，Gross碼和Two-Gross碼是雙變量自行車碼的子類，但它們的設(shè)計目標(biāo)、參數(shù)和應(yīng)用場景有所不同。比如Gross碼是表示用144個物理量子位編碼12個邏輯量子位，碼距為12，通過長距離連接實現(xiàn)高效的綜合征測量電路，特點是資源消耗較低，適合中等規(guī)模量子計算系統(tǒng)。

而Two-Gross碼用288個物理量子位編碼12個邏輯量子位，碼距提升至18，通過增加物理量子位數(shù)量實現(xiàn)更強的錯誤抑制能力，適合大規(guī)模容錯量子計算等高可靠性場景。

通過前面的內(nèi)容我們也了解到，降低量子計算的資源消耗，也是實現(xiàn)量子計算商業(yè)化的關(guān)鍵。IBM提出的方案是，通過改進(jìn)量子糾錯碼設(shè)計、解碼算法和拓?fù)浔Ｗo(hù)策略，降低大規(guī)模容錯系統(tǒng)的資源消耗。

首先是提出了一種基于調(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。前者通過動態(tài)調(diào)整邏輯門操作的生成元，減少冗余物理資源需求；后者利用局部測試降低大規(guī)模qLDPC碼的解碼復(fù)雜度，將全局糾錯分解為多個子問題，顯著減少計算時間。

其次是優(yōu)化量子糾錯碼的解碼算法效率，以及分析拓?fù)浯a在非均勻噪聲環(huán)境下的穩(wěn)定性，優(yōu)化存儲器的容錯。

另外，IBM還對qLDPC碼實用化提出解決方案，比如通過并行化邏輯測量和橋接碼（Bridging Codes），降低多模塊系統(tǒng)中的糾纏開銷；提出基于魔法態(tài)噴泉（Magic State Fountain）的策略，優(yōu)化同源積碼中的T門生成，減少Magic State制備的資源消耗。

總體來看，這兩篇論文分別從硬件實現(xiàn)和理論優(yōu)化角度推動容錯量子計算的工程化進(jìn)展，共同支撐了IBM提出的“Starling”路線圖。

量子計算商業(yè)落地進(jìn)展

今年以來，國內(nèi)外商業(yè)量子計算領(lǐng)域也出現(xiàn)了不少進(jìn)展。5月6日，本源量子宣布正式推出支持500+量子比特的中國第四代自主量子計算測控系統(tǒng)本源天機4.0，標(biāo)志著我國量子計算產(chǎn)業(yè)已具備可復(fù)制、可迭代的工程化生產(chǎn)能力，為百比特級量子計算機量產(chǎn)奠定了產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。量子計算測控系統(tǒng)是量子計算機的神經(jīng)中樞，承擔(dān)著量子芯片精密信號生成、采集與控制的核心職能。

安徽省量子計算工程研究中心副主任、本源天機研制團(tuán)隊負(fù)責(zé)人孔偉成博士介紹，團(tuán)隊通過完全自主研發(fā)的系列底層軟硬件架構(gòu)，進(jìn)一步增強了對量子芯片的高效控制與精準(zhǔn)讀取，可大幅縮短量子計算機的研發(fā)與交付時間。除此之外，本源天機4.0還額外搭載四大核心軟件——量子計算測控系統(tǒng)服務(wù)端管理軟件Naga&Venus、超導(dǎo)量子比特底層操控服務(wù)軟件Monster、全界面量子芯片調(diào)控分析應(yīng)用軟件Visage以及量子計算機操作系統(tǒng)連接軟件Storm。

5月20日，美國量子計算公司D-Wave Quantum 在官網(wǎng)宣布，其最先進(jìn)、性能最強的Advantage2量子計算系統(tǒng)正式上市。這是一款強大且節(jié)能的退火型量子計算機，具備解決傳統(tǒng)計算機難以應(yīng)對的復(fù)雜計算問題的能力。該系統(tǒng)搭載了D-Wave迄今為止最先進(jìn)的量子處理器，具備商業(yè)級品質(zhì)，專為優(yōu)化、材料模擬以及人工智能等現(xiàn)實應(yīng)用場景而設(shè)計。

據(jù)D-Wave介紹，Advantage2量子處理器性能較上一代顯著提升，處理器采用Zephy拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有20路量子位間連接能力，可嵌入更復(fù)雜的問題模型。系統(tǒng)能量尺度提升40%，噪聲降低75%，為復(fù)雜計算提供更高質(zhì)量的解決方案?？焖偻嘶饳C制支持大規(guī)模相干退火計算，大幅降低熱波動等外界干擾對計算的影響。

量旋科技在5月底的深圳國際人工智能展上，也展出了一系列量子計算產(chǎn)品，包括超導(dǎo)量子芯片——少微、全球首臺便攜式量子計算機“雙子座mini”、全棧式量子計算實驗平臺量旋雙子座Lab等。

寫在最后

量子計算領(lǐng)域還有眾多國內(nèi)外商業(yè)公司、研究機構(gòu)、高校等在持續(xù)投入開發(fā)，從發(fā)展路徑來看，量子計算要實現(xiàn)真正的商業(yè)化應(yīng)用，還需要一個漫長的漸進(jìn)過程。但從IBM的路線圖，以及全球范圍的進(jìn)展來看，量子計算的商業(yè)落地奇點似乎正在加速向我們走來。