Pengkomputeran Kuantum IBM 2025-2029: Perlumbaan kepada Kelebihan Kuantum Bertolak ansur Kesalahan

Pengkomputeran Kuantum IBM 2025-2029: Perlumbaan kepada Kelebihan Kuantum Bertolak ansur Kesalahan

Pemproses Quantum Nighthawk revolusioner IBM mewakili lonjakan besar ke arah kelebihan kuantum (Sumber: IBM Research / Tom's Hardware)

Ringkasan Eksekutif

IBM berdiri di barisan hadapan revolusi pengkomputeran kuantum yang menjanjikan untuk secara asasnya mengubah cara kami mendekati cabaran pengiraan. Dengan pelancaran pemproses IBM Quantum Nighthawk baru-baru ini dan pelan hala tuju komprehensif yang dilanjutkan hingga 2029, syarikat itu telah menggariskan laluan bercita-cita tinggi daripada demonstrasi utiliti kuantum hari ini kepada komputer kuantum toleran kesalahan yang mampu menjalankan litar dengan 100 juta pintu.

Perjalanan ini merangkumi inovasi perkakasan terobosan, pembangunan perisian revolusioner melalui Qiskit, perkongsian strategik dengan peneraju industri seperti Cisco, dan penubuhan keupayaan pembuatan termaju yang meletakkan IBM sebagai peneraju yang jelas dalam perlumbaan ke arah kelebihan kuantum.

Fajar Kelebihan Kuantum

Landskap pengkomputeran kuantum telah mencapai detik penting. Penyelidik IBM dan rakan kongsi global mereka kini menunjukkan litar kuantum yang mencabar keupayaan superkomputer klasik, menandakan permulaan apa yang pakar panggil "era kelebihan kuantum." [1]

Pada Persidangan Pembangun Kuantum baru-baru ini, IBM melancarkan tiga percubaan calon yang berbeza untuk kelebihan kuantum, merangkumi anggaran yang boleh diperhatikan, algoritma variasi dan masalah dengan pengesahan klasik yang cekap. Untuk memastikan pengesahan yang rapi bagi kemajuan ini, IBM telah bekerjasama dengan Algorithmiq, penyelidik di Institut Flatiron, dan BlueQubit untuk melancarkan penjejak kelebihan kuantum yang diterajui komuniti terbuka.

"Kami percaya bahawa IBM adalah satu-satunya syarikat yang mempunyai kedudukan untuk mencipta dan menskala perisian kuantum, perkakasan, fabrikasi dan pembetulan ralat dengan pantas untuk membuka kunci aplikasi transformatif," kata Jay Gambetta, Pengarah Penyelidikan IBM dan Fellow IBM. [1]

IBM Quantum Nighthawk: Seni Bina untuk Kelebihan

Penyelidik IBM memegang pemproses kuantum Nighthawk, menampilkan 120 qubit dalam reka bentuk kekisi persegi revolusioner

Pemproses IBM Quantum Nighthawk mewakili anjakan paradigma dalam reka bentuk seni bina kuantum. Dibina di sekitar topologi kekisi persegi 120-qubit, Nighthawk menggabungkan 218 pengganding boleh tala generasi seterusnya – peningkatan yang ketara daripada 176 pengganding IBM Quantum Heron. [2]

Kesambungan yang dipertingkatkan ini membolehkan litar dengan kerumitan 30% lebih besar daripada pemproses IBM sebelumnya sambil mengekalkan kadar ralat rendah yang penting untuk aplikasi kelebihan kuantum. Reka bentuk kekisi segi empat sama memastikan setiap qubit bersambung terus kepada empat jiran terdekat, berbanding dua atau tiga sambungan yang terdapat dalam reka bentuk kekisi hex berat.

Spesifikasi Teknikal

Pelan hala tuju Nighthawk melangkaui keupayaan awal 5,000 pintu yang dihantar pada tahun 2025. IBM memproyeksikan bilangan pintu gerbang akan mencecah 7,500 menjelang akhir tahun 2026, 10,000 pintu pada tahun 2027, dan akhirnya 15,000 pintu dua-qubit menjelang 2028. Apabila penggabungjalinan antara-couule dengan berasaskan malam 2028. sistem boleh menyokong lebih 1,000 qubit yang disambungkan.

IBM Quantum Loon: Rangka Tindakan untuk Toleransi Kesalahan

Pemproses IBM Quantum Loon menunjukkan semua komponen perkakasan utama yang diperlukan untuk pengkomputeran kuantum tahan kerosakan

Berjalan selari dengan garis masa pembangunan Nighthawk, IBM Quantum Loon berfungsi sebagai pemproses bukti konsep eksperimen yang menunjukkan semua komponen kritikal yang diperlukan untuk pengkomputeran kuantum tahan kesalahan (FTQC). Pemproses 112-qubit ini mengesahkan asas seni bina yang diperlukan untuk kod semakan pariti ketumpatan rendah kuantum (qLDPC). [3]

Loon menggabungkan beberapa teknologi terobosan, termasuk c-coupler yang membolehkan sambungan jarak jauh antara qubit jauh dalam cip yang sama, berbilang lapisan penghalaan berkualiti tinggi dan keupayaan set semula qubit yang penting untuk protokol pembetulan ralat. Inovasi ini membentuk asas teknikal untuk kod basikal bivariat IBM, yang mengurangkan overhed qubit fizikal sehingga 90% berbanding kod permukaan.

Paparan dekat IBM Quantum Loon menunjukkan c-coupler yang membolehkan sambungan qubit jarak jauh dalam cip (Sumber: IBM Research)

Pelan Hala Tuju Bertoleransi Kesalahan kepada Jalak

Penyampaian artis bagi sistem IBM Quantum Starling, komputer kuantum toleran kesalahan pertama IBM

Sistem Starling mewakili kemuncak penyelidikan pengkomputeran kuantum toleran kesalahan IBM. Berdasarkan kod basikal bivariat terobosan syarikat yang diterbitkan dalam Nature, Starling akan melaksanakan seni bina modular menggunakan unit pemprosesan logik dan penyesuai universal untuk mencapai skala pengiraan yang tidak pernah berlaku sebelum ini. [4]

Evolusi Qiskit: Perisian untuk Kelebihan Kuantum

Kemajuan perkakasan sahaja tidak dapat memberikan kelebihan kuantum - ia mesti dipasangkan dengan keupayaan perisian yang sama canggih. SDK Qiskit sumber terbuka IBM terus menetapkan piawaian untuk pengaturcaraan kuantum, dengan versi 2.2 menyampaikan peningkatan prestasi yang merugikan platform pesaing.

Penanda aras terkini menunjukkan bahawa Qiskit SDK v2.2 mentranspile litar kuantum 83 kali lebih pantas daripada rangka kerja alternatif seperti Tket 2.6.0. Kelebihan prestasi ini menjadi kritikal apabila berurusan dengan litar kompleks yang diperlukan untuk aplikasi kelebihan kuantum. [5]

Inovasi Perisian Utama

C API dan Penyepaduan HPC: Qiskit v2.x memperkenalkan C API yang membolehkan penyepaduan asli dengan persekitaran pengkomputeran berprestasi tinggi. Antara muka C++ baharu membolehkan beban kerja kuantum klasik berjalan dengan cekap merentas infrastruktur pengkomputeran teragih.

Litar Dinamik pada Skala: Anotasi litar lanjutan membolehkan litar dinamik skala utiliti yang menggabungkan operasi klasik semasa pelaksanaan kuantum. Keupayaan ini memberikan sehingga 25% hasil yang lebih tepat sambil mengurangkan keperluan pintu dua qubit sebanyak 58%.

Pengurangan Ralat Lanjutan: Alat baharu seperti Samplomatic dan primitif pelaksana membolehkan teknik pengurangan ralat canggih yang mengurangkan overhed pensampelan sebanyak lebih 100 kali berbanding kaedah pembatalan ralat kebarangkalian standard. [6]

Kemas Kini Pelan Hala Tuju Kuantum 2025 IBM menggariskan laluan kepada kelebihan kuantum dan toleransi kesalahan

Perkongsian IBM-Cisco: Komputer Kuantum Rangkaian

Pada November 2025, IBM dan Cisco mengumumkan kerjasama terobosan untuk membangunkan keupayaan pengkomputeran kuantum teragih rangkaian. Perkongsian ini bertujuan untuk menyambungkan berbilang komputer kuantum berskala besar dan tahan kerosakan ke dalam rangkaian pengiraan bersatu menjelang awal 2030-an. [7]

Kerjasama itu menangani salah satu cabaran penskalaan pengkomputeran kuantum yang paling ketara: cara mencapai kuasa pengiraan melebihi apa yang boleh disediakan oleh sistem kuantum individu. Dengan merangkaikan komputer kuantum, masalah yang memerlukan trilion gerbang kuantum menjadi boleh dilaksanakan secara teori.

Seni Bina Teknikal

Unit Rangkaian Kuantum (QNU): IBM akan membangunkan antara muka khusus yang menukar maklumat kuantum pegun dalam unit pemprosesan kuantum (QPU) kepada maklumat kuantum "terbang" yang boleh dihantar merentasi sambungan rangkaian.

Transduser Mikro-Optik: Peranti ini akan membolehkan penghantaran keadaan kuantum pada jarak yang lebih jauh, yang berpotensi menghubungkan komputer kuantum merentasi bangunan atau pusat data yang berbeza.

Kepintaran Rangkaian: Rangka kerja rangkaian kuantum Cisco akan mengkonfigurasi semula laluan rangkaian secara dinamik dan mengedarkan sumber keterjeratan atas permintaan untuk menyokong algoritma kuantum yang kompleks.

Perkongsian itu menyasarkan demonstrasi bukti konsep awal menjelang 2030, dengan matlamat utama untuk mewujudkan teknologi asas untuk internet kuantum menjelang akhir 2030-an.

Fabrikasi 300mm: Pembuatan pada Skala

Penyelidik IBM memegang wafer 300mm yang mengandungi pelbagai pemproses kuantum Nighthawk

Peralihan IBM kepada fabrikasi wafer 300mm di Kompleks NanoTech Albany mewakili anjakan asas dalam keupayaan pembuatan pemproses kuantum. Kemudahan canggih ini membolehkan IBM menggandakan kelajuan penyelidikan dan pembangunan sambil meningkatkan kerumitan cip sebanyak sepuluh kali ganda. [8]

Proses fabrikasi 300mm menggabungkan alat semikonduktor terkini dengan kepakaran kuantum IBM, membolehkan berbilang lelaran reka bentuk diteruskan secara selari. Pendekatan ini telah mengurangkan masa pembangunan pemproses sekurang-kurangnya separuh sambil menyokong seni bina kompleks yang diperlukan untuk pengkomputeran kuantum toleran kesalahan.

Kemudahan bilik bersih 300mm di NY Creates' Albany NanoTech Complex di mana pemproses kuantum IBM dibuat

Dekoder RelayBP: Pembetulan Ralat Masa Nyata

Pengkomputeran kuantum toleran kesalahan memerlukan keupayaan pembetulan ralat masa nyata yang boleh menyahkod maklumat sindrom lebih cepat daripada ralat terkumpul. Penyahkod RelayBP IBM mewakili satu kejayaan dalam teknologi kritikal ini, mencapai kelajuan penyahkodan kurang daripada 480 nanosaat – kira-kira 10 kali lebih pantas daripada pendekatan alternatif terkemuka. [9]

Algoritma RelayBP direka khusus supaya tepat, pantas, padat dan cukup fleksibel untuk pelaksanaan pada tatasusunan get boleh diprogramkan medan (FPGA) atau litar bersepadu khusus aplikasi (ASIC). Pencapaian ini telah disiapkan setahun penuh lebih awal daripada jadual asal IBM, menunjukkan keupayaan syarikat untuk melebihi komitmen peta jalannya.

Poughkeepsie: Legasi Inovasi Pengkomputeran

Render pusat data Poughkeepsie IBM yang menampilkan sistem kuantum semasa dan komputer Starling masa hadapan

Kemudahan IBM Poughkeepsie membawa warisan inovasi pengkomputeran yang menjangkau lebih lapan dekad. Sejak penubuhannya pada tahun 1941, tapak bersejarah ini telah menjadi rumah kepada perkembangan terobosan termasuk IBM 701 (komputer komersial pertama syarikat itu pada tahun 1952), siri kerangka utama Sistem/360 revolusioner, dan komputer kuantum yang paling maju hari ini.

Pusat Data Kuantum IBM sedia ada di Poughkeepsie kini menjadi tuan rumah kepada komputer kuantum paling berkuasa di dunia yang boleh diakses melalui Platform Kuantum IBM. Menjelang 2029, kemudahan ini akan menempatkan sistem Starling, yang mewakili bab seterusnya dalam sejarah pengkomputeran Poughkeepsie yang luar biasa. [4]

IBM Quantum System Two dipasang di pusat data Poughkeepsie, yang kini menjadi tuan rumah bagi komputer kuantum tercanggih di dunia (Foto: IBM, 2025)

Alamat Persidangan Pemaju Kuantum IBM 2025 Negeri Kesatuan

Garis Masa dan Unjuran Kelebihan Kuantum