IBM日前宣布将打造全球第一台大规模容错量子计算机IBM Quantum Starling (代号：椋鸟)，朝向可落地、可扩展的量子计算迈出重要的一步。 IBM已在全球运行数量可观的量子计算机；此次公布最新量子计算发展计划，显示其研发实用级容错量子计算机的企图心。

IBM Quantum Starling预计于2029年在美国纽约州Poughkeepsie的全新IBM量子数据中心完成研发上线，其运算能力将比现今的量子计算机高出2万倍。要达到IBM Quantum Starling的运算状态，需要超过10⁴⁸(10万亿亿亿亿)台目前最强大超级计算机的存储器。借助IBM Quantum Starling的能力，用户有望突破当前量子计算机的性能限制，充分探索其量子态的复杂性。

IBM董事长、首席执行官Arvind Krishna表示，IBM正在开拓量子计算的下一个尖端领域。我们在数学、物理和工程方面的专业知识，正在为大规模容错量子计算机铺平道路 — 它不仅将解决现实世界的挑战，更要实现极为可观的潜在商业价值。

具有数百或数千个逻辑量子比特(logical qubit)的大规模容错量子计算机，可以运行数亿到数十亿次运算，加速药物开发、材料发现、化学和优化等工作，并显著提升成本效率。

IBM Quantum Starling将使用200个逻辑量子比特进行1亿次量子计算，以此获得解决上述问题所需要的运算能力，将成为下一代量子计算机IBM Quantum Blue Jay (代号：蓝樫鸟)的基础；后者可能使用2,000个逻辑量子比特进行10亿次量子计算。

逻辑量子比特是容错量子计算机的一个单元，负责储存一个量子比特的量子信息。一个逻辑量子比特由多个物理量子比特(physical qubit)组成，后者协同工作以储存量子信息，并相互监控错误。

与传统电脑相同，量子计算机需要容错才能无障碍地运行大量工作负载。为此，研究人员使用物理量子比特集群，来创建比底层物理量子比特数量更少、错误率更低的逻辑量子比特。随着集群规模扩大，逻辑量子比特的错误率呈指数级下降，以便执行更大规模的运算。

使用尽可能少的物理量子比特，建立更多的逻辑量子比特来运行量子电路，这对于实现规模化的量子计算十分重要。然而直到今天，研究人员尚未找到有效的途径，研发一个无需耗费巨量工程费用的容错系统。

迈向量子计算的大规模容错能力

执行高效容错架构的关键在于改错码的选择，以及如何设计和构建相应系统，大规模使用该改错码。

之前被视为“黄金标准”的改错码以及其他的替代方案，往往面临根本性的工程挑战。为了扩大规模，它们需要足够的逻辑量子比特来执行复杂的操作，而这意味着“天量”(不可能实现的数量)的物理量子比特、基础设施和控制电子设备。因此，小规模的实验和设备无法实现这个目标。

一台兼顾实用性和规模化的容错量子计算机所需的架构应该：

• 具备高容错性，通过高效纠错，确保算法的有效性。
• 具备准备和测算逻辑量子比特的运算能力。
• 能够将通用指令应用于逻辑量子比特。
• 即时解码逻辑量子比特的测量值，并改变后续指令。
• 采用模组化设计，可扩展到数百或数千个逻辑量子比特来运行复杂运算。
• 高效利用现有物理资源(例如能源和基础设施)，运行有意义的算法。

IBM最新发表的两篇技术论文，详细介绍了如何解决上述标准以构建大规模容错架构。

第一篇论文探讨系统如何使用qLDPC改错码有效地处理指示并运行操作。这项研究基于《自然》杂志的一篇封面故事所介绍的突破性纠错方法，尤其是量子低密度同位 (qLDPC) 改错码。与其他主流的改错码相比，该代码大幅减少了纠错所需的物理量子比特的数量，并将所需开销减少约90%。此外，论文还列出了可靠地运行大规模量子程序所需的资源，以证明这种架构的效率优于其他架构。

第二篇论文描述如何有效地解码来自物理量子比特的信息，并指出一条利用传统运算资源即时识别和纠正错误的可行路径。

“筑梦踏实”

最新的IBM量子计算发展计划呈现了执行容错标准的关键技术里程碑。为了实现模组化、可扩展和纠错的量子计算机，IBM还将推出一系列量子处理器，克服相应的技术难关：

• IBM Quantum Loon(代号：潜鸟) 预计于2025年推出，旨在测试qLDPC代码的架构元件，包括在同一芯片内连接更远距离量子比特的“C耦合器”。
• IBM Quantum Kookaburra(代号：笑翠鸟)预计于2026年推出，将成为IBM首款用于储存和处理编码信息的模组化量子处理器。它将量子储存与逻辑运算结合起来 — 是扩展容错系统到单一芯片之外的关键步骤。
• IBM Quantum Cockatoo(代号：凤头鹦鹉)预计于2027年推出，它将使用“L型耦合器”连接两个Kookaburra模组。这种架构可以让量子芯片像系统节点一样串连起来，避免组成单一超大芯片。

以上创新成果预计将在2029年由IBM Quantum Starling完整呈现。