電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）近年來，量子計(jì)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(jì)算領(lǐng)域的先驅(qū)之一，IBM近日公布了其量子計(jì)算路線圖，宣布將在2029年交付全球首個(gè)大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)——IBM Quantum Starling。

同時(shí)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(cuò)架構(gòu)的問題。

IBM量子計(jì)算路線圖

其實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了此前的每一個(gè)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(gè)能夠在2030年內(nèi)運(yùn)行數(shù)百個(gè)邏輯量子比特規(guī)模、數(shù)百萬量子門級別量子計(jì)算程序運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)構(gòu)?！?br />

2025 IBM量子路線圖 來源：IBM

在最新的路線圖中，IBM計(jì)劃在2025年推出一款量子芯片——IBM Quantum Loon。這款芯片具有更強(qiáng)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(yàn)碼）開展概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以及包括用于實(shí)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(gè)量子處理器模塊化Kookaburra，這將是第一個(gè)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(cuò)系統(tǒng)擴(kuò)展到單個(gè)芯片之外。

2027年，Cockatoo將使用L-couplers，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)Kookaburra模塊間的纏繞，從而像連接大型系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)一樣將量子芯片連接在一起，避免構(gòu)建不切實(shí)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(yàn)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(shí)現(xiàn)超過2000個(gè)邏輯量子位和10億量子門。

如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)？

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

比如經(jīng)典計(jì)算機(jī)中糾錯(cuò)可以通過復(fù)制冗余，比如三個(gè)bit存儲1個(gè)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(gè)物理量子比特中，形成邏輯量子比特。

另外，像經(jīng)典計(jì)算機(jī)的錯(cuò)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(cuò)誤就有多種類型，包括比特翻轉(zhuǎn)、相位翻轉(zhuǎn)、混合錯(cuò)誤等，同時(shí)錯(cuò)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(cuò)的難度極高。

簡單來說就是，如果要讓一臺量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜算法的大規(guī)模運(yùn)算，為了進(jìn)行糾錯(cuò)，每個(gè)邏輯量子位需要數(shù)千個(gè)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)，讓量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化的關(guān)鍵。

IBM提到，要實(shí)現(xiàn)高效容錯(cuò)架構(gòu)，取決于糾錯(cuò)碼的選擇，以及系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展可靠量子計(jì)算架構(gòu)的六大標(biāo)準(zhǔn)：

容錯(cuò)性：邏輯錯(cuò)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(jì)算過程中可單獨(dú)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(shí)時(shí)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(cuò)量子計(jì)算的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及降低容錯(cuò)量子計(jì)算的資源消耗。

其中，大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)式 （bivariate polynomials）構(gòu)造的qLDPC碼，核心特點(diǎn)是長距離連接能力、模塊化設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)物理量子位編碼12個(gè)邏輯量子位，碼距為12，通過長距離連接實(shí)現(xiàn)高效的綜合征測量電路，特點(diǎn)是資源消耗較低，適合中等規(guī)模量子計(jì)算系統(tǒng)。

而Two-Gross碼用288個(gè)物理量子位編碼12個(gè)邏輯量子位，碼距提升至18，通過增加物理量子位數(shù)量實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的錯(cuò)誤抑制能力，適合大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)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(jì)算的資源消耗，也是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)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(cuò)碼設(shè)計(jì)、解碼算法和拓?fù)浔Ｗo(hù)策略，降低大規(guī)模容錯(cuò)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(cuò)框架。前者通過動(dòng)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(cuò)分解為多個(gè)子問題，顯著減少計(jì)算時(shí)間。

其次是優(yōu)化量子糾錯(cuò)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(cuò)。

另外，IBM還對qLDPC碼實(shí)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M(fèi)agic State制備的資源消耗。

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

量子計(jì)算商業(yè)落地進(jìn)展

今年以來，國內(nèi)外商業(yè)量子計(jì)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(jì)算測控系統(tǒng)本源天機(jī)4.0，標(biāo)志著我國量子計(jì)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(jì)算機(jī)量產(chǎn)奠定了產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。量子計(jì)算測控系統(tǒng)是量子計(jì)算機(jī)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(jì)算工程研究中心副主任、本源天機(jī)研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人孔偉成博士介紹，團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(jì)算機(jī)的研發(fā)與交付時(shí)間。除此之外，本源天機(jī)4.0還額外搭載四大核心軟件——量子計(jì)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(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)連接軟件Storm。

5月20日，美國量子計(jì)算公司D-Wave Quantum 在官網(wǎng)宣布，其最先進(jìn)、性能最強(qiáng)的Advantage2量子計(jì)算系統(tǒng)正式上市。這是一款強(qiáng)大且節(jié)能的退火型量子計(jì)算機(jī)，具備解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以應(yīng)對的復(fù)雜計(jì)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(shí)應(yīng)用場景而設(shè)計(jì)。

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(jì)算提供更高質(zhì)量的解決方案?？焖偻嘶饳C(jī)制支持大規(guī)模相干退火計(jì)算，大幅降低熱波動(dòng)等外界干擾對計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)“雙子座mini”、全棧式量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺量旋雙子座Lab等。

寫在最后

量子計(jì)算領(lǐng)域還有眾多國內(nèi)外商業(yè)公司、研究機(jī)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(jì)算要實(shí)現(xiàn)真正的商業(yè)化應(yīng)用，還需要一個(gè)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(jì)算的商業(yè)落地奇點(diǎn)似乎正在加速向我們走來。