2025 年 4 月底， IBM 宣布，計(jì)劃在未來 5 年內(nèi)在美國(guó)投資 1500 億美元，以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展并鞏固其作為全球計(jì)算領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的地位。該計(jì)劃包括超過 300 億美元的研發(fā)投入，用于推進(jìn) IBM 在美國(guó)的大型機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的制造。IBM 還計(jì)劃運(yùn)營(yíng)世界上最大的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)群，并將繼續(xù)在美國(guó)設(shè)計(jì)、制造和組裝量子計(jì)算機(jī)。

自 2020 年以來，IBM 一直在推進(jìn)其量子路線圖，規(guī)劃出實(shí)現(xiàn)實(shí)用量子計(jì)算所需的步驟。近日，IBM 公布詳細(xì)計(jì)劃，擬于 2028 年前建造具備糾錯(cuò)能力的量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)運(yùn)算能力將比當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)高出 2 萬(wàn)倍，并計(jì)劃在 2029 年通過云服務(wù)向用戶開放。

這臺(tái)名為“Starling”（星椋鳥）的量子計(jì)算機(jī)將由模塊化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成——每個(gè)模塊包含多組芯片，部署于紐約州波基普西市新建的數(shù)據(jù)中心內(nèi)。“我們已啟動(dòng)場(chǎng)地建設(shè)。”IBM 量子計(jì)劃副總裁 Jay Gambetta 透露，他用鳥類名稱命名了該項(xiàng)目中的大部分事務(wù)。

圖 | IBM 量子發(fā)展路線圖（來源：IBM）

量子糾錯(cuò)與容錯(cuò)

當(dāng)今的量子計(jì)算機(jī)具有解決傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的復(fù)雜問題的潛力，但尚未具備廣泛的實(shí)際能力。根本限制在于難以糾正的高錯(cuò)誤率，阻礙了復(fù)雜的量子算法大規(guī)模運(yùn)行。

量子計(jì)算機(jī)的誤差主要源于硬件操作時(shí)的串?dāng)_——當(dāng)對(duì)某個(gè)量子比特進(jìn)行操作時(shí)，可能意外改變相鄰無(wú)關(guān)量子比特的狀態(tài)，這類誤差會(huì)隨時(shí)間累積。若無(wú)糾錯(cuò)機(jī)制，量子計(jì)算機(jī)將無(wú)法準(zhǔn)確運(yùn)行那些被視為其核心價(jià)值的復(fù)雜算法，如用于新材料和藥物研發(fā)的精密化學(xué)模擬。量子計(jì)算機(jī)的糾錯(cuò)之所以成為工程難題，根源在于其獨(dú)特的運(yùn)算機(jī)制：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制（0 和 1）存儲(chǔ)信息，而量子計(jì)算機(jī)使用量子比特（qubit），能同時(shí)處于 0 和 1 的疊加態(tài)。

量子糾錯(cuò) (QEC) 使用專門的測(cè)量方法來檢測(cè)編碼量子比特中的錯(cuò)誤。雖然它也是容錯(cuò)的核心機(jī)制，但 QEC 本身的作用有限。如果沒有容錯(cuò)電路設(shè)計(jì)，操作過程中甚至在糾錯(cuò)過程中發(fā)生的錯(cuò)誤都會(huì)擴(kuò)散和累積，這使得 QEC 自身維護(hù)邏輯量子比特完整性的難度成倍增加。

容錯(cuò)量子計(jì)算（FTQC）不僅保護(hù)單個(gè)計(jì)算量子比特免受錯(cuò)誤的影響，還能系統(tǒng)性地防止錯(cuò)誤擴(kuò)散。它通過采用巧妙的容錯(cuò)電路設(shè)計(jì)，并利用系統(tǒng)的噪聲閾值（即系統(tǒng)能夠處理并保持正常運(yùn)行的最大錯(cuò)誤級(jí)別）來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。實(shí)現(xiàn) FTQC 的可靠性還需要更多的量子比特。

容錯(cuò)技術(shù)的研究可以追溯到幾十年前。IBM 早在 20 世紀(jì) 90 年代末就開始致力于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)，當(dāng)時(shí)它與幾所頂尖大學(xué)合作，構(gòu)建了一臺(tái)能夠運(yùn)行小型量子算法的 2 量子比特量子計(jì)算機(jī)。持續(xù)的基礎(chǔ)研究最終促成了 IBM Quantum Experience 的推出，它以一臺(tái)可通過云端訪問的 5 量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)為特色。

2020 年，IBM 發(fā)布了首份量子路線圖，其中詳細(xì)介紹了該公司 27 量子比特 Falcon 處理器將于 2019 年上市，并概述了后續(xù)幾年逐年增加量子比特?cái)?shù)的計(jì)劃。該路線圖的最后部分預(yù)計(jì)在 2023 年開發(fā)一款專注于研究的處理器——1121 量子比特 Condor，但該處理器從未向公眾開放。

圖 | IBM 首個(gè)量子路線圖

隨著 IBM 不斷擴(kuò)展其量子比特?cái)?shù)量，并探索糾錯(cuò)和緩解錯(cuò)誤的方法，其研究人員逐漸意識(shí)到，單片處理器不足以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的長(zhǎng)期目標(biāo)。因此需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模塊化架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工程。

轉(zhuǎn)向新架構(gòu)

IBM 向模塊化架構(gòu)的轉(zhuǎn)型最早出現(xiàn)在其 2022 年技術(shù)路線圖中，當(dāng)時(shí)宣布將于 2024 年推出名為 Crossbill 和 Flamingo 的多芯片處理器。Crossbill 是一款 408 量子比特處理器，首次實(shí)現(xiàn)了短程耦合技術(shù)的應(yīng)用；而 Flamingo 作為1,386量子比特處理器，則開創(chuàng)性地采用了長(zhǎng)程耦合方案。

耦合器在當(dāng)前及未來容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)中具有關(guān)鍵作用，它們能在不增加芯片制造難度、成本與時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)邏輯層面的量子比特?cái)U(kuò)展，同時(shí)賦予架構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性。

2023 年，IBM 的科學(xué)家取得重大突破，開發(fā)出基于 qLDPC 碼（又稱雙變量自行車碼/gross 碼）的量子信息存儲(chǔ)方案。該編碼能將 12 個(gè)邏輯量子比特編碼為 144 個(gè)物理量子比特，并輔以 144 個(gè)輔助量子比特，總計(jì) 288 個(gè)物理量子比特實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。

在這之前，表面碼（surface code）一直是超導(dǎo)量子計(jì)算的默認(rèn)糾錯(cuò)方案，因其具備容忍高錯(cuò)誤率、支持近鄰耦合、同時(shí)防護(hù)比特翻轉(zhuǎn)與相位翻轉(zhuǎn)等優(yōu)勢(shì)。需特別指出的是，IBM 已驗(yàn)證 qLDPC 碼的糾錯(cuò)效能與表面碼相當(dāng)，但二者帶來的效益卻有本質(zhì)差異：雖然糾錯(cuò)性能持平，qLDPC 碼僅需十分之一的物理量子比特即可實(shí)現(xiàn)同等功能。

在一篇最新發(fā)布于arXiv的論文中，IBM 詳細(xì)闡述了一個(gè)模塊化容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的端到端嚴(yán)格框架，該框架基于其在 2024 年Nature雜志里程碑式論文中提出的雙變量自行車碼；同時(shí)，IBM 同步發(fā)布的第二篇論文，首次提出了一種精確、快速、緊湊且靈活的糾錯(cuò)解碼器方案——這種解碼器能夠高效部署于 FPGA 或 ASIC 芯片，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼

“這增強(qiáng)了 IBM 糾錯(cuò)方法的可信度。”英國(guó)量子計(jì)算初創(chuàng)公司 Riverlane 的解碼主管 Neil Gillespie 評(píng)價(jià)稱。

如今，IBM 量子技術(shù)已處于行業(yè)前沿。該公司通過云端和客戶現(xiàn)場(chǎng)部署了多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，其中多數(shù)配備了 156 量子比特的 Heron 處理器。據(jù) IBM 官方披露，Heron 是其迄今為止性能最強(qiáng)大的量子處理器，目前不僅應(yīng)用于 IBM Quantum System Two 系統(tǒng)，也廣泛集成于其他量子計(jì)算平臺(tái)。

節(jié)點(diǎn)規(guī)劃

IBM 計(jì)劃讓 Starling具備 200 個(gè)邏輯量子比特，能連續(xù)執(zhí)行 1 億次精確邏輯運(yùn)算——現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)千次。Gambetta 宣稱，這將實(shí)現(xiàn)前所未有的糾錯(cuò)規(guī)模，此前谷歌和亞馬遜的演示僅涉及單芯片構(gòu)建的單個(gè)邏輯量子比特，他稱之為小型器件實(shí)驗(yàn)。

IBM 的研發(fā)路線圖將分階段推進(jìn) Starling 項(xiàng)目。2025 年，該公司計(jì)劃在名為“潛鳥”（Loon）的芯片上驗(yàn)證糾錯(cuò)信息的穩(wěn)定存儲(chǔ)能力；2026 年，將建造兼具存儲(chǔ)與計(jì)算功能的“笑翠鳥”（Kookaburra）模塊；到 2027 年底，計(jì)劃將兩個(gè)“笑翠鳥”模塊連接成更大的量子計(jì)算機(jī)“鳳頭鸚鵡”（Cockatoo）。這些技術(shù)驗(yàn)證完成后，最終將通過連接約 100 個(gè)模塊構(gòu)建 Starling 系統(tǒng)。

IBM 的布局已延伸至 2029 年后。繼 Starling 之后，該公司計(jì)劃建造配備 2000 個(gè)邏輯量子比特的“藍(lán)松鴉”（Blue Jay）量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)可執(zhí)行 10 億次邏輯運(yùn)算。

然而，目前尚不清楚 Starling 能否解決實(shí)際問題。部分專家認(rèn)為，要運(yùn)行任何實(shí)用算法，需要完成十億次糾錯(cuò)后的邏輯操作。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校物理學(xué)家 Wolfgang Pfaff 表示，“Starling 代表著一個(gè)有趣的過渡階段，但這不太可能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”他研究量子計(jì)算硬件，曾獲得IBM研究資助，但未參與 Starling 項(xiàng)目。

Pfaff 認(rèn)為 Starling 的時(shí)間規(guī)劃是可行的。他指出，“該設(shè)計(jì)基于實(shí)驗(yàn)和工程現(xiàn)實(shí)，他們提出的方案看起來相當(dāng)有說服力。但構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)充滿挑戰(zhàn)，IBM 可能會(huì)因不可預(yù)見的技術(shù)難題而遭遇延期。”

1.https://www.technologyreview.com/2025/06/10/1118297/ibm-large-scale-error-corrected-quantum-computer-by-2028/

2.https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc