IBM 公布最新量子運算發展計畫
IBM 日前宣布將打造全球第一台大規模容錯量子電腦 IBM Quantum Starling（代號：椋鳥），朝向可落地、可擴展的量子運算邁出重要的一步。IBM 已在全球運行數量可觀的量子電腦；此次公布最新量子運算發展計畫，顯示其研發實用級容錯量子電腦的企圖心。
IBM Quantum Starling 預計於 2029 年在美國紐約州Poughkeepsie的全新IBM量子資料中心完成研發上線，其運算能力將比現今的量子電腦高出2萬倍。要達到IBM Quantum Starling的運算狀態，需要超過1048（10萬億億億億）台目前最強大超級電腦的記憶體。藉助IBM Quantum Starling的能力，使用者有望突破當前量子電腦的性能限制，充分探索其量子態的複雜性。
IBM 董事長、執行長 Arvind Krishna 表示，IBM 正在開拓量子運算的下一個尖端領域。我們在數學、物理和工程方面的專業知識，正在為大規模容錯量子電腦鋪平道路──它不僅將解決現實世界的挑戰，更要實現極為可觀的潛在商業價值。
具有數百或數千個邏輯量子比特（logical qubit）的大規模容錯量子電腦，可以運行數億到數十億次運算，加速藥物開發、材料發現、化學和優化等工作，並顯著提升成本效率。
IBM Quantum Starling 將使用 200 個邏輯量子比特進行1 億次量子運算，以此獲得解決上述問題所需要的運算能力，將成為下一代量子電腦IBM Quantum Blue Jay （代號：藍樫鳥）的基礎；後者可能使用2,000 個邏輯量子比特進行10 億次量子運算。
邏輯量子比特是容錯量子電腦的一個單元，負責儲存一個量子比特的量子資訊。一個邏輯量子比特由多個物理量子比特（physical qubit）組成，後者協同工作以儲存量子資訊，並相互監控錯誤。
與傳統電腦相同，量子電腦需要容錯才能無障礙地運行大量工作負載。為此，研究人員使用物理量子比特集群，來創建比底層物理量子比特數量更少、錯誤率更低的邏輯量子比特。隨著集群規模擴大，邏輯量子比特的錯誤率呈指數級下降，以便執行更大規模的運算。
使用盡可能少的物理量子比特，建立更多的邏輯量子比特來運行量子電路，這對於實現規模化的量子運算十分重要。然而直到今天，研究人員尚未找到有效的途徑，研發一個無需耗費巨量工程費用的容錯系統。
邁向量子運算的大規模容錯能力
執行高效容錯架構的關鍵在於改錯碼的選擇，以及如何設計和構建相應系統，大規模使用該改錯碼。
之前被視為「黃金標準」的改錯碼以及其他的替代方案，往往面臨根本性的工程挑戰。為了擴大規模，它們需要足夠的邏輯量子位元來執行複雜的操作，而這意味著「天量」（不可能實現的數量）的物理量子位、基礎設施和控制電子設備。因此，小規模的實驗和設備無法實現這個目標。
一台兼顧實用性和規模化的容錯量子電腦所需的架構應該：
具備高容錯性，透過高效糾錯，確保演算法的有效性。
具備準備和測算邏輯量子比特的運算能力。
能夠將通用指令應用於邏輯量子比特。
即時解碼邏輯量子比特的測量值，並改變後續指令。
採用模組化設計，可擴展到數百或數千個邏輯量子比特來運行複雜運算。
高效利用現有物理資源（例如能源和基礎設施），運行有意義的演算法。
IBM 最新發表的兩篇技術論文，詳細介紹了如何解決上述標準以構建大規模容錯架構。
第一篇論文探討系統如何使用qLDPC 改錯碼有效地處理指示並運行操作。這項研究基於《自然》雜誌的一篇封面故事所介紹的突破性糾錯方法，尤其是量子低密度同位 (qLDPC) 改錯碼。與其他主流的改錯碼相比，該代碼大幅減少了糾錯所需的物理量子比特的數量，並將所需開銷減少約 90%。此外，論文還列出了可靠地運行大規模量子程式所需的資源，以證明這種架構的效率優於其他架構。
第二篇論文描述如何有效地解碼來自物理量子比特的資訊，並指出一條利用傳統運算資源即時識別和糾正錯誤的可行路徑。
最新的 IBM 量子運算發展計畫呈現了執行容錯標準的關鍵技術里程碑。為了實現模組化、可擴展和糾錯的量子電腦，IBM還將推出一系列量子處理器，克服相應的技術難關：
IBM Quantum Loon（代號：潛鳥）預計於 2025年推出，旨在測試 qLDPC 代碼的架構元件，包括在同一晶片內連接更遠距離量子比特的「C 耦合器」。
IBM Quantum Kookaburra（代號：笑翠鳥）預計於2026年推出，將成為 IBM 首款用於儲存和處理編碼資訊的模組化量子處理器。它將量子儲存與邏輯運算結合起來 — 是擴展容錯系統到單一晶片之外的關鍵步驟。
IBM Quantum Cockatoo（代號：鳳頭鸚鵡）預計於 2027 年推出，它將使用「L 型耦合器」連接兩個 Kookaburra 模組。這種架構可以讓量子晶片像系統節點一樣串連起來，避免組成單一超大晶片。
以上創新成果預計將在2029 年由IBM Quantum Starling完整呈現。
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（本文由 PR Newswire 授權轉載）