IBM发布纠错量子计算十年蓝图

                                         IBM System 2

IBM的最新量子计算路线图提供一项详尽可靠的计划，希望能在十年之内构建起一台纠错量子计算机。IBM的上一份主要路线图更新发布于2022年5月，首先罗列了从2019年到2025年的开发计划，同时对2026年的前景做出了一般性展望。

                      上一份IBM量子计算路线图发布于2022年5月

IBM量子计算蓝图愈发复杂

今年，伴随着大量基础工作的完成，再加上计划中的高级开发内容准备就绪，IBM又发布了两份路线图：软硬件开发路线图以及创新路线图。

这两张新路线图并没有像去年的版本那样对未来几年做短期展望，而是直接揭示了IBM未来十年的量子计算规划。

                          2023年12月发布的IBM量子开发路线图

                       2023年12月发布的IBM量子创新路线图

今年11月，Moor Insights & Strategy CEO兼首席分析师Patrick Moorhead和我受邀前往位于纽约约克镇的IBM研究中心，听取了IBM院士兼量子计算副总裁Jay Gambetta博士关于新版路线图的简报。

想当初量子作为一种可行的信息处理技术刚刚出现时，Gambetta博士就将IBM定位为量子计算创始纪元的领导者。在此期间，IBM通过网络对外开放量子算力，借此刺激了量子技术的创新。

                                     量子计算发展史中的三座丰碑

Gambetta博士认为，IBM三大早期里程碑成为后来量子计算发展的基础，分别是：

2016年5月通过IBM Quantum Experience开放量子计算云服务。

2017年3月推出开源SDK Qiskit工具包。

2019年1月构建起首台商用量子计算机IBM Quantum System One。

2023年及以后：硬件路线图概述

此次路线图显示的下一个关键领域，主要反映量子机器最终纠错扩展所需要的方法和架构开发思路。提高量子比特保真度以及软件/系统架构的功能，无疑成为充分利用硬件逐年改进的必要前提。

IBM的硬件路线图揭示了关于量子比特和芯片级创新如何逐步实现更长的相干时间、更好的错误抑制以及更强的可扩展性的具体细节。IBM优先考虑计算质量，并在路线图中反映了逐年改进趋势，认为下个十年内将出现规模更大的纠错机器。

从路线图末尾的加速量子比特计数、门计数和纠错机制可以明显看出，IBM相信到某个特定时间，量子比特将不再成为限制量子计算规模的瓶颈。从那时起，IBM开始将重点转移到构建更大的系统，并假设量子比特的质量可以稳定维持。在展示中，IBM正努力减少并控制量子比特错误。

                                  IBM的133量子比特Heron处理器

下一代Heron处理器将展示IBN如何改进其量子比特控制能力。IBM重新设计了133量子比特Heron处理器的控制机制，希望最大程度降低量子比特上的噪声。

Heron的模块化架构基于可调谐耦合器，这一点与之前的量子处理器架构有所不同。新架构将量子处理器接入公共控制基础，以便数据能在多芯片环境中的QPU及其他芯片之间以经典方式实时流动。蓝色巨人还发布一种新的多量子比特门方案，其速度更快且保真度更高。

Heron是首款使用新架构的IBM芯片，该架构使用经典耦合器连接多个处理器，由此实现经典的并行化设计。多芯片Heron在配置上支持扩展，能够根据需求和应用要求进行硬件延伸。

量子硬件的模块化设计、经典耦合与并行化，都是开发未来量子处理器的基本要素。Heron中集成的经典逻辑还减少了系统延迟。

这些量子比特技术将成为未来先进纠错方案的基础，供路线图中更先进的后续处理器使用。

此外，IBM还在路线图中制定了超越传统计算机能力的短期与长期性能目标。IBM致力于在2024年达成让100量子比特获得实际应用质量与电路深度水平的目标。而根据后续路线图显示，2030年之前纠错逻辑量子比特将得到稳步改进。

耦合器的重要意义

IBM的路线图还提及基础的短程与远程量子耦合技术。耦合器允许量子比特在逻辑层面进行缩放，因此无需制造更大的芯片。这样就能适应不断增加的输入输出密度，避免引入更多信号输入和输出系统。

耦合方案要求每个量子比特具有相同数量的接线，而耦合器扩大了所占面积，避免同等物理空间内挤进太多线路。

短程耦合器使用芯片到芯片并行化机制来扩展多个芯片之间的IBM重六角晶格。通过创建更大的逻辑芯片，即可有效扩展量子比特。扩展逻辑芯片的门速度及门保真度不会影响性能，因为它们与各芯片中的门速度和门保真度大致相同。

远程耦合器使用接线连接多个独立模块，以便量子信息能够在各量子处理器间共享。IBM估计这种链接比短程芯片到芯片的耦合速度要慢一些，保真度也会略有下降；但这样的设计允许以编程方式调整并适应差异因素。远程耦合的最大优势，在于允许将模块拆分开来以获取额外的输入输出空间。

软件路线图概述

                                         Qiskit已经得到广泛应用

要想扩展并增强IBM硬件，也离不开广泛的软件与架构增强。2024年，IBM将发布Qiskit 1.0。作为一项重大进展，这意味着运行时将能够管理量子比特的控制与经典接口，从而在跨模块化单元之上建立起可有效执行的复杂量子电路。架构层面的改变使得多量子处理器间的连接成为现实，也为使用上千逻辑量子比特解决大型传统难题奠定了基础。

Qiskit 1.0将为开发者构建量子电路和应用提供稳定可靠的平台，这也是让量子计算“飞入寻常百姓家”、获得实际应用的重要前提。

这份路线图还支持以量子为中心的超级计算机概念，强调经典计算机与量子计算机相融合，利用不同的技术处理各自擅长的任务。软件和系统创新将在平衡经典资源的同时，最大化提升量子并行性。如此一来，量子计算就能更高效地在广泛应用中发挥作用。

IBM的可靠纠错实现路径

IBM路线图中的软硬件开发举措，希望能在2029年内让纠错量子计算成为可能。IBM已经规划出一条有序逻辑路径，用于创建模块化的纠错架构。IBM目前正在努力开发低密度奇偶校验，这是一种前景光明的软件纠错码。

在路线图上，可以看到凭借多芯片链接在量子处理器间建立的通信，未来四年内Flamingo处理器将拥有更强的纠错能力，从而将2025年的5000门增长至2028年的15000门。此外，IBM还模拟并验证了为二维最近邻量子比特阵列量身定制的独特纠错协议。

2026年，Kookaburra处理器中的逻辑内存和操作将证明大规模噪声抑制的可行性。从2028年开始，这种噪声抑制将与Starling处理器中稳定增长的电路深度和量子比特数量相结合，从而带来超出经典验证极限的准确输出。

量子计算的进取之路

总之，IBM制定了一份为期十年的积极路线图，希望解决纠错这一终极量子挑战。新的路线图涵盖IBM开发的新系列量子处理器、软件与服务计划，有望让下一代以量子计算为中心的超级计算机逐步成为现实。而量子处理器、CPU与GPU三大算力资源的携手合作，有望解决世界上一系列最具挑战的计算问题。

IBM的整个路线图开发和计划将于2033年收束，最终定格在2000量子比特与10亿量子门的位置。IBM意识到还需要教育和支持工具来协助构建这些计划中的量子系统，因此这项长达十年的计划可能需要相应的生态系统。如果一切进展顺利，也许众多棘手的现实挑战都将在纠错量子计算机面前被一一破解。