電子發燒友網報道（文/梁浩斌）近年來，量子計算似乎正在取得越來越多突破，國內外都涌現出不少的技術以及產品突破。作為量子計算領域的先驅之一，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模容錯量子計算機——IBM Quantum Starling。

同時IBM也推出了兩篇技術論文，詳細介紹他們是如何解決搭建大規模容錯架構的問題。

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步推進量子計算。最近公布的是最新的修訂版路線圖，IBM規劃了從2025年到2033年及以后的道路。

IBM表示，到目前為止他們已經成功實現了此前的每一個里程碑，基于過去的成功，IBM對未來的發展充滿信心。“從我們目前看到的情況來看，IBM是世界上唯一一個能夠在2030年內運行數百個邏輯量子比特規模、數百萬量子門級別量子計算程序運行的量子計算機構。”

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架構的量子芯片，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，將容錯系統擴展到單個芯片之外。

2027年，Cockatoo將使用L-couplers，實現兩個Kookaburra模塊間的纏繞，從而像連接大型系統中的節點一樣將量子芯片連接在一起，避免構建不切實際的大型芯片。

Starling系統渲染圖 來源：IBM

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

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

如何實現大規模容錯？

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

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

而量子態不可克隆的定理導致無法復制量子信息，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，像經典計算機的錯誤只有比特翻轉一種，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、相位翻轉、混合錯誤等，同時錯誤還是連續的，并非離散，這直接導致了大規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行復雜算法的大規模運算，為了進行糾錯，每個邏輯量子位需要數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，創造更多邏輯量子位，是實現大規模容錯，讓量子計算機商業化的關鍵。

IBM提到，要實現高效容錯架構，取決于糾錯碼的選擇，以及系統的軟硬件設計是否能夠支持該編碼方案的擴展。在最新公布的論文中，IBM提出實現可擴展可靠量子計算架構的六大標準：

容錯性：邏輯錯誤被充分抑制，以確保有意義的算法成功執行。
可尋址性：計算過程中可單獨準備或測量邏輯量子比特。
通用性：支持對邏輯量子比特應用通用量子指令集。
自適應性：測量結果可實時解碼并調整后續量子指令。
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行。

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

其中，大規模容錯量子計算硬件架構設計中，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）構造的qLDPC碼，核心特點是長距離連接能力、模塊化設計和高閾值特性。

其中，Gross碼和Two-Gross碼是雙變量自行車碼的子類，但它們的設計目標、參數和應用場景有所不同。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高效的綜合征測量電路，特點是資源消耗較低，適合中等規模量子計算系統。

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量實現更強的錯誤抑制能力，適合大規模容錯量子計算等高可靠性場景。

通過前面的內容我們也了解到，降低量子計算的資源消耗，也是實現量子計算商業化的關鍵。IBM提出的方案是，通過改進量子糾錯碼設計、解碼算法和拓撲保護策略，降低大規模容錯系統的資源消耗。

首先是提出了一種基于調節邏輯算符（Gauging Logical Operators）和分層存儲器架構 （Hierarchical Memories）的低開銷容錯框架。前者通過動態調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模qLDPC碼的解碼復雜度，將全局糾錯分解為多個子問題，顯著減少計算時間。

其次是優化量子糾錯碼的解碼算法效率，以及分析拓撲碼在非均勻噪聲環境下的穩定性，優化存儲器的容錯。

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），降低多模塊系統中的糾纏開銷；提出基于魔法態噴泉（Magic State Fountain）的策略，優化同源積碼中的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和理論優化角度推動容錯量子計算的工程化進展，共同支撐了IBM提出的“Starling”路線圖。

量子計算商業落地進展

今年以來，國內外商業量子計算領域也出現了不少進展。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本源天機4.0，標志著我國量子計算產業已具備可復制、可迭代的工程化生產能力，為百比特級量子計算機量產奠定了產業化基礎。量子計算測控系統是量子計算機的神經中樞，承擔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、本源天機研制團隊負責人孔偉成博士介紹，團隊通過完全自主研發的系列底層軟硬件架構，進一步增強了對量子芯片的高效控制與精準讀取，可大幅縮短量子計算機的研發與交付時間。除此之外，本源天機4.0還額外搭載四大核心軟件——量子計算測控系統服務端管理軟件Naga&Venus、超導量子比特底層操控服務軟件Monster、全界面量子芯片調控分析應用軟件Visage以及量子計算機操作系統連接軟件Storm。

5月20日，美國量子計算公司D-Wave Quantum 在官網宣布，其最先進、性能最強的Advantage2量子計算系統正式上市。這是一款強大且節能的退火型量子計算機，具備解決傳統計算機難以應對的復雜計算問題的能力。該系統搭載了D-Wave迄今為止最先進的量子處理器，具備商業級品質，專為優化、材料模擬以及人工智能等現實應用場景而設計。

據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拓撲結構，具有20路量子位間連接能力，可嵌入更復雜的問題模型。系統能量尺度提升40%，噪聲降低75%，為復雜計算提供更高質量的解決方案。快速退火機制支持大規模相干退火計算，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品，包括超導量子芯片——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

量子計算領域還有眾多國內外商業公司、研究機構、高校等在持續投入開發，從發展路徑來看，量子計算要實現真正的商業化應用，還需要一個漫長的漸進過程。但從IBM的路線圖，以及全球范圍的進展來看，量子計算的商業落地奇點似乎正在加速向我們走來。