IBM Quantum Computing 2025-2029: Kapløbet om fejltolerante kvantefordele

IBM Quantum Computing 2025-2029: Kapløbet om fejltolerante kvantefordele

IBM's revolutionerende Quantum Nighthawk-processor repræsenterer et stort spring i retning af kvantefordele (Kilde: IBM Research / Tom's Hardware).

Sammenfatning

IBM står i spidsen for en kvantecomputerrevolution, der lover at ændre fundamentalt på, hvordan vi tilgang til beregningsmæssige udfordringer. Med den nylige afsløring af IBM Quantum Nighthawk-processoren og en omfattende køreplan, der strækker sig til 2029, har virksomheden skitseret en ambitiøs vej fra dagens kvanteværktøjsdemonstrationer demonstrationer til fejltolerante kvantecomputere, der er i stand til at køre kredsløb med 100 millioner gates.

Denne rejse omfatter banebrydende hardwareinnovationer, revolutionerende softwareudvikling gennem Qiskit, strategiske partnerskaber med industriledere som Cisco og etablering af avanceret produktionskapacitet kapacitet, der placerer IBM som den klare leder i kapløbet mod kvantefordel.

Kvantefordelens begyndelse

Kvantecomputerlandskabet har nået et afgørende øjeblik. IBM-forskere og deres globale partnere er nu demonstrerer nu kvantekredsløb, der udfordrer klassiske supercomputeres kapacitet, hvilket markerer begyndelsen på det, som eksperter kalder "kvantefordelens æra". [1]

På den nylige Quantum Developer Conference afslørede IBM tre forskellige kandidateksperimenter til kvantefordel. fordel, der spænder over observerbar estimering, variationsalgoritmer og problemer med effektiv klassisk verifikation. For at sikre en grundig validering af disse fremskridt har IBM indgået et samarbejde med Algorithmiq, forskere på Flatiron Institute og BlueQubit for at lancere en åben, fællesskabsstyret kvantefordelstracker.

"Vi mener, at IBM er den eneste virksomhed, der er i stand til hurtigt at opfinde og skalere kvantesoftware, hardware, fabrikation og fejlkorrektion for at frigøre transformative applikationer," sagde Jay Gambetta, direktør for IBM Research og IBM Fellow. [1]

IBM Quantum Nighthawk: Arkitektur til fordel

IBM-forsker holder Nighthawk-kvanteprocessoren med 120 qubits i et revolutionerende firkantet gitter design

IBM Quantum Nighthawk-processoren repræsenterer et paradigmeskift inden for kvantearkitekturdesign. Den er bygget op omkring en 120-qubit firkantet gittertopologi, indeholder Nighthawk 218 næste generations afstemmelige koblere - en betydelig stigning fra IBM Quantum Herons 176 koblere. [2]

Denne forbedrede tilslutningsmulighed muliggør kredsløb med 30% større kompleksitet end tidligere IBM-processorer, mens opretholde de lave fejlrater, der er afgørende for kvantefordel-applikationer. Det firkantede gitterdesign sikrer at hver qubit forbindes direkte til fire nærmeste naboer, sammenlignet med de to eller tre forbindelser, der er tilgængelige i tunge hex-gitterdesigns.

Tekniske specifikationer

Nighthawk-køreplanen strækker sig ud over den første kapacitet på 5.000 gates, der leveres i 2025. IBM forventer, at antallet af gates at antallet af gates vil nå 7.500 ved udgangen af 2026, 10.000 gates i 2027 og i sidste ende 15.000 to-qubit gates i 2028. Når de kombineres med l-koblere til forbindelse mellem moduler, kan Nighthawk-baserede systemer understøtte over 1.000 forbundne qubits.

IBM Quantum Loon: Plan for fejltolerance

IBM Quantum Loon-processor demonstrerer alle vigtige hardwarekomponenter, der er nødvendige for fejltolerante kvantecomputere. databehandling

IBM Quantum Loon kører parallelt med Nighthawk-udviklingens tidslinje og fungerer som en eksperimentel proof-of-concept-processor, der demonstrerer alle kritiske komponenter, der kræves til fejltolerant kvantecomputere databehandling (FTQC). Denne 112-qubit-processor validerer de arkitektoniske fundamenter, der er nødvendige for quantum low-density parity check (qLDPC)-koder. [3]

Loon indeholder flere banebrydende teknologier, herunder c-koblere, der muliggør langtrækkende forbindelser mellem fjerne qubits inden for samme chip, flere routinglag af høj kvalitet og qubit-nulstillingsfunktioner der er afgørende for fejlkorrektionsprotokoller. Disse innovationer udgør det tekniske fundament for IBM's bivariate cykelkoder, som reducerer det fysiske qubit-overhead med op til 90% sammenlignet med overfladekoder.

Nærbillede af IBM Quantum Loon, der viser c-koblere, som muliggør qubit-forbindelser over lange afstande i chippen (Kilde: IBM Research)

Den fejltolerante køreplan til Starling

Kunstnerisk gengivelse af IBM Quantum Starling-systemet, IBM's første fejltolerante kvantecomputer

Starling-systemet er kulminationen på IBM's forskning i fejltolerante kvantecomputere. Baseret på virksomhedens virksomhedens banebrydende bivariate cykelkoder, der blev offentliggjort i Nature, vil Starling implementere en modulær arkitektur ved hjælp af logiske behandlingsenheder og universelle adaptere for at opnå en hidtil uset beregningsskala. [4]

Qiskit Evolution: Software til kvantefordel

Hardwarefremskridt alene kan ikke give en kvantefordel - de skal parres med lige så sofistikerede softwarefunktioner. IBM's open source Qiskit SDK fortsætter med at sætte standarden for kvanteprogrammering med version 2.2 leverer præstationsforbedringer, der overgår konkurrerende platforme.

Nylige benchmarks viser, at Qiskit SDK v2.2 transponerer kvantekredsløb 83 gange hurtigere end alternative frameworks som Tket 2.6.0. Denne præstationsfordel bliver kritisk, når man har at gøre med de komplekse kredsløb der kræves til kvantefordel-applikationer. [5]

Vigtige software-innovationer

C API og HPC-integration: Qiskit v2.x introducerer et C-API, der muliggør indbygget integration med højtydende computermiljøer. Den nye C++-grænseflade gør det muligt at køre kvanteklassiske arbejdsbyrder effektivt på tværs af distribuerede databehandlingsinfrastrukturer.

Dynamiske kredsløb i stor skala: Avancerede kredsløbskommentarer muliggør brugbare dynamiske kredsløb der indeholder klassiske operationer under kvanteudførelse. Denne evne giver op til 25% mere nøjagtige resultater og reducerer samtidig kravene til to-qubit-gates med 58%.

Avanceret afhjælpning af fejl: Nye værktøjer som Samplomatic og executor primitive muliggør sofistikerede fejlreduktionsteknikker, der reducerer prøveudtagningsomkostningerne med over 100 gange sammenlignet med standard probabilistiske metoder til annullering af fejl. [6]

IBM's 2025 Quantum Roadmap Update skitserer vejen til kvantefordel og fejltolerance

IBM-Cisco partnerskab: Netværk til kvantecomputere

I november 2025 annoncerede IBM og Cisco et banebrydende samarbejde om at udvikle netværksbaserede, distribuerede kvantecomputerfunktioner. Dette partnerskab har til formål at forbinde flere store, fejltolerante kvantecomputere computere til et samlet beregningsnetværk i begyndelsen af 2030'erne. [7]

Samarbejdet tager fat på en af kvantecomputerens største skaleringsudfordringer: hvordan man opnår beregningskraft ud over, hvad individuelle kvantesystemer kan levere. Ved at netværke kvantecomputere, bliver problemer, der kræver billioner af kvantegates, teoretisk mulige.

Teknisk arkitektur

Quantum Networking Unit (QNU): IBM vil udvikle specialiserede grænseflader, der konverterer stationær kvanteinformation i kvantebehandlingsenheder (QPU'er) til "flyvende" kvanteinformation, der kan overføres overføres på tværs af netværksforbindelser.

Mikrobølgeoptiske transducere: Disse enheder vil muliggøre transmission af kvantetilstande over længere afstande og potentielt forbinde kvantecomputere på tværs af forskellige bygninger eller datacentre.

Netværksintelligens: Ciscos kvante-netværksramme vil dynamisk omkonfigurere netværks stier og distribuere sammenfiltringsressourcer on-demand for at understøtte komplekse kvantealgoritmer.

Partnerskabet sigter mod en første proof-of-concept-demonstration inden 2030 med det ultimative mål at etablere grundlæggende teknologier til et kvanteinternet i slutningen af 2030'erne.

300 mm fabrikation: Produktion i stor skala

IBM-forsker holder en 300 mm wafer, der indeholder flere Nighthawk-kvantumprocessorer

IBM's overgang til 300 mm wafer-fremstilling på Albany NanoTech Complex repræsenterer et grundlæggende skift i kvanteprocessorens produktionskapacitet. Denne avancerede facilitet gør det muligt for IBM at fordoble forsknings- og udviklingshastighed, samtidig med at chipkompleksiteten tidobles. [8]

300 mm-fremstillingsprocessen inkorporerer state-of-the-art halvlederværktøj med IBM's kvanteekspertise, så flere design-iterationer kan foregå parallelt. Denne tilgang har allerede reduceret processorudviklingen processorudviklingstiden med mindst halvdelen, samtidig med at den understøtter de komplekse arkitekturer, der kræves til fejltolerant kvantecomputere.

300 mm renrumsfacilitet i NY Creates' Albany NanoTech Complex, hvor IBM's kvanteprocessorer fremstilles

RelayBP-dekoder: Fejlkorrektion i realtid

Fejltolerant kvantecomputere kræver fejlkorrektionsfunktioner i realtid, der kan afkode syndromet information hurtigere, end fejlene akkumuleres. IBM's RelayBP-dekoder repræsenterer et gennembrud i denne kritiske teknologi, idet den opnår afkodningshastigheder på mindre end 480 nanosekunder - cirka 10 gange hurtigere end førende alternative tilgange. [9]

RelayBP-algoritmen er specielt designet til at være præcis, hurtig, kompakt og fleksibel nok til implementering på feltprogrammerbare gate arrays (FPGA'er) eller applikationsspecifikke integrerede kredsløb (ASIC'er). Denne præstation blev gennemført et helt år før IBM's oprindelige tidsplan, hvilket demonstrerer virksomhedens evne til at overgå sine forpligtelser i køreplanen.

Poughkeepsie: En arv af computerinnovation

Rendering af IBM's datacenter i Poughkeepsie med nuværende kvantesystemer og den fremtidige Starling-computer

IBM's anlæg i Poughkeepsie bærer på en arv af computerinnovation, der strækker sig over otte årtier. Siden etableringen i 1941 har dette historiske sted været hjemsted for banebrydende udvikling, herunder IBM 701 (virksomhedens første kommercielle computer i 1952), den revolutionerende System/360 mainframe-serie og nutidens mest avancerede kvantecomputere.

Det eksisterende IBM Quantum Data Center i Poughkeepsie er i øjeblikket vært for verdens mest kraftfulde kvantecomputere der er tilgængelige via IBM Quantum Platform. I 2029 vil denne facilitet huse Starling-systemet, der repræsenterer det næste kapitel i Poughkeepsies bemærkelsesværdige computerhistorie. [4]

IBM Quantum System Two er installeret i datacentret i Poughkeepsie, som i øjeblikket huser verdens mest avancerede kvantecomputere (Foto: IBM, 2025).

IBM's Quantum Developer Conference 2025 State of the Union-tale

Tidslinje og fremskrivninger for Quantum Advantage