IBM Quantum Computing 2025-2029: a corrida para a vantagem quântica tolerante a falhas

IBM Quantum Computing 2025-2029: a corrida para a vantagem quântica tolerante a falhas

O revolucionário processador Quantum Nighthawk da IBM representa um grande salto em direção à vantagem quântica (Fonte: IBM Research / Tom's Hardware)

Resumo executivo

A IBM está na vanguarda de uma revolução da computação quântica que promete transformar fundamentalmente a maneira como abordamos os desafios computacionais. abordamos os desafios computacionais. Com a recente revelação do processador IBM Quantum Nighthawk e um abrangente que se estende até 2029, a empresa traçou um caminho ambicioso desde as demonstrações atuais de utilitários quânticos até computadores quânticos tolerantes a falhas, capazes de executar circuitos com 100 milhões de portas.

Essa jornada abrange inovações revolucionárias de hardware, desenvolvimentos revolucionários de software por meio da Qiskit, parcerias estratégicas com líderes do setor, como a Cisco, e o estabelecimento de recursos avançados de fabricação que posicionam a IBM como a líder absoluta na corrida rumo à vantagem quântica.

O amanhecer da vantagem quântica

O cenário da computação quântica chegou a um momento crucial. Os pesquisadores da IBM e seus parceiros globais estão agora demonstrando circuitos quânticos que desafiam os recursos dos supercomputadores clássicos, marcando o início do que os especialistas chamam de "era da vantagem quântica". [1]

Na recente Quantum Developer Conference, a IBM revelou três experimentos candidatos distintos para a vantagem quântica quânticos, abrangendo estimativas observáveis, algoritmos variacionais e problemas com verificação clássica eficiente. verificação clássica eficiente. Para garantir a validação rigorosa desses avanços, a IBM fez uma parceria com a Algorithmiq, com pesquisadores do Flatiron Institute e com a BlueQueq. do Flatiron Institute e a BlueQubit para lançar um rastreador de vantagem quântica aberto e conduzido pela comunidade.

"Acreditamos que a IBM é a única empresa que está posicionada para inventar e dimensionar rapidamente o software quântico, hardware, fabricação e correção de erros quânticos para desbloquear aplicativos transformadores", declarou Jay Gambetta, Diretor da IBM Research e IBM Fellow. [1]

IBM Quantum Nighthawk: Arquitetura para obter vantagens

Pesquisador da IBM segura o processador quântico Nighthawk, com 120 qubits em uma revolucionária estrutura quadrada design

O processador IBM Quantum Nighthawk representa uma mudança de paradigma no design da arquitetura quântica. Construído com base em uma topologia de rede quadrada de topologia de rede quadrada de 120 qubits, o Nighthawk incorpora 218 acopladores sintonizáveis de última geração - um aumento significativo em relação aos 176 acopladores do IBM Quantum Heron. um aumento significativo em relação aos 176 acopladores do IBM Quantum Heron. [2]

Essa conectividade aprimorada permite circuitos com 30% maior complexidade do que os processadores IBM anteriores e, ao mesmo tempo mantendo as baixas taxas de erro essenciais para aplicativos de vantagem quântica. O design da rede quadrada garante que cada qubit se conecte diretamente a quatro vizinhos mais próximos, em comparação com as duas ou três conexões disponíveis em projetos pesados de rede hexagonal.

Especificações técnicas

O roteiro do Nighthawk se estende além da capacidade inicial de 5.000 portas entregue em 2025. A IBM projeta que a contagem de portas chegarão a 7.500 no final de 2026, 10.000 portas em 2027 e, por fim, 15.000 portas de dois qubits em 2028. Quando combinados com acopladores l para conectividade entre módulos, os sistemas baseados no Nighthawk poderiam suportar mais de 1.000 qubits conectados.

IBM Quantum Loon: Projeto para tolerância a falhas

O processador IBM Quantum Loon demonstra todos os principais componentes de hardware necessários para a computação quântica tolerante a falhas computação quântica

Paralelamente ao cronograma de desenvolvimento do Nighthawk, o IBM Quantum Loon serve como um processador experimental de prova de conceito que demonstra todos os componentes críticos necessários para a computação quântica tolerante a falhas (FTQC). tolerante a falhas (FTQC). Esse processador de 112 qubits valida as bases arquitetônicas necessárias para a códigos quânticos de verificação de paridade de baixa densidade (qLDPC). [3]

O Loon incorpora várias tecnologias inovadoras, incluindo acopladores c que permitem conexões de longo alcance entre qubits distantes dentro do mesmo chip, várias camadas de roteamento de alta qualidade e recursos de redefinição de qubit essenciais para os protocolos de correção de erros. Essas inovações formam a base técnica para os códigos bivariados que reduzem a sobrecarga física do qubit em até 90% em comparação com os códigos de superfície.

Vista em close do IBM Quantum Loon mostrando acopladores c que permitem conexões de qubit de longo alcance dentro do chip (Fonte: IBM Research)

O roteiro tolerante a falhas para o Starling

Representação artística do sistema IBM Quantum Starling, o primeiro computador quântico tolerante a falhas da IBM

O sistema Starling representa o ponto culminante da pesquisa de computação quântica tolerante a falhas da IBM. Com base nos códigos de bicicleta bivariados inovadores da empresa publicados na Nature, o Starling implementará uma modular usando unidades de processamento lógico e adaptadores universais para atingir uma escala computacional sem precedentes. [4]

Evolução do Qiskit: Software para vantagens quânticas

Os avanços em hardware, por si só, não podem proporcionar uma vantagem quântica - eles devem ser combinados com recursos de software igualmente sofisticados. recursos de software igualmente sofisticados. O Qiskit SDK de código aberto da IBM continua a definir o padrão para a programação quântica, com a A versão 2.2 oferece melhorias de desempenho que superam as plataformas concorrentes.

Os benchmarks recentes demonstram que o Qiskit SDK v2.2 transpila circuitos quânticos 83 vezes mais rápido do que estruturas alternativas estruturas alternativas, como o Tket 2.6.0. Essa vantagem de desempenho torna-se fundamental ao lidar com os circuitos complexos necessários para aplicativos de vantagem quântica. [5]

Principais inovações de software

API C e integração de HPC: O Qiskit v2.x apresenta uma API C que permite a integração nativa com ambientes de computação de alto desempenho. A nova interface C++ permite que as cargas de trabalho quântico-clássicas sejam executadas sejam executadas com eficiência em infraestruturas de computação distribuída.

Circuitos dinâmicos em escala: Anotações avançadas de circuitos permitem circuitos dinâmicos em escala de utilidade que incorporam operações clássicas durante a execução quântica. Esse recurso fornece resultados até 25% mais precisos resultados mais precisos e, ao mesmo tempo, reduz os requisitos de porta de dois qubits em 58%.

Mitigação avançada de erros: Novas ferramentas, como o Samplomatic e o executor primitivo, permitem técnicas sofisticadas de atenuação de erros que reduzem a sobrecarga de amostragem em mais de 100 vezes em comparação com os métodos de cancelamento de erros probabilísticos padrão. [6]

A atualização do roteiro quântico da IBM para 2025 descreve o caminho para a vantagem quântica e a tolerância a falhas

Parceria IBM-Cisco: Conectando computadores quânticos em rede

Em novembro de 2025, a IBM e a Cisco anunciaram uma colaboração inovadora para desenvolver recursos de computação quântica distribuídos em rede. recursos de computação quântica distribuídos em rede. Essa parceria tem como objetivo conectar vários computadores quânticos de larga escala e tolerantes a falhas em grande escala e tolerantes a falhas em uma rede computacional unificada até o início da década de 2030. [7]

A colaboração aborda um dos desafios de escalonamento mais significativos da computação quântica: como obter poder computacional além do que os sistemas quânticos individuais podem oferecer. Ao conectar computadores quânticos em rede, problemas que exigem trilhões de portas quânticas tornam-se teoricamente viáveis.

Arquitetura técnica

Unidade de rede quântica (QNU): A IBM desenvolverá interfaces especializadas que convertem informações quânticas informações quânticas estacionárias dentro das unidades de processamento quântico (QPUs) em informações quânticas "voadoras" que podem ser transmitidas através de conexões de rede.

Transdutores ópticos de micro-ondas: Esses dispositivos permitirão a transmissão do estado quântico por distâncias distâncias, possivelmente conectando computadores quânticos em diferentes edifícios ou data centers.

Inteligência de rede: A estrutura de rede quântica da Cisco reconfigurará dinamicamente os caminhos e distribuirá recursos de emaranhamento sob demanda para dar suporte a algoritmos quânticos complexos.

A parceria visa uma demonstração inicial de prova de conceito até 2030, com o objetivo final de estabelecer tecnologias fundamentais para uma Internet quântica até o final da década de 2030.

Fabricação de 300 mm: Fabricação em escala

Pesquisador da IBM segurando um wafer de 300 mm contendo vários processadores quânticos Nighthawk

A transição da IBM para a fabricação de wafer de 300 mm no Albany NanoTech Complex representa uma mudança fundamental nos recursos de fabricação de processadores quânticos. recursos de fabricação de processadores quânticos. Essa instalação avançada permite que a IBM dobre a velocidade de pesquisa e velocidade de pesquisa e desenvolvimento e, ao mesmo tempo, aumentar em dez vezes a complexidade do chip. [8]

O processo de fabricação de 300 mm incorpora ferramentas de semicondutores de última geração com a experiência quântica da IBM, permitindo que várias iterações de projeto ocorram em paralelo. Essa abordagem já reduziu o tempo de desenvolvimento do processador de desenvolvimento de processadores em pelo menos metade, ao mesmo tempo em que suporta as arquiteturas complexas necessárias para a computação quântica tolerante a falhas.

Instalação de sala limpa de 300 mm no Albany NanoTech Complex da NY Creates, onde os processadores quânticos da IBM são fabricados

Decodificador RelayBP: Correção de erros em tempo real

A computação quântica tolerante a falhas exige recursos de correção de erros em tempo real que possam decodificar informações sobre a síndrome mais rapidamente do que os erros se acumulam. O decodificador RelayBP da IBM representa um avanço nessa tecnologia, alcançando velocidades de decodificação de menos de 480 nanossegundos - aproximadamente 10 vezes mais rápido do que as principais abordagens alternativas. [9]

O algoritmo RelayBP foi projetado especificamente para ser preciso, rápido, compacto e flexível o suficiente para implementação em FPGAs (field-programmable gate arrays) ou circuitos integrados de aplicativos específicos (ASICs). Essa conquista foi concluída um ano inteiro antes do cronograma original da IBM, demonstrando a capacidade da empresa de de exceder seus compromissos com o roadmap.

Poughkeepsie: Legado de inovação em computação

Renderização do data center da IBM em Poughkeepsie com os sistemas quânticos atuais e o futuro computador Starling

As instalações da IBM em Poughkeepsie levam adiante um legado de inovação em computação que se estende por mais de oito décadas. Desde sua fundação em 1941, esse local histórico tem sido o lar de desenvolvimentos revolucionários, incluindo o IBM 701 (o primeiro computador comercial da empresa em 1952), a revolucionária série de mainframes System/360 e os computadores quânticos mais avançados da atualidade.

O IBM Quantum Data Center existente em Poughkeepsie atualmente hospeda os computadores quânticos mais poderosos do mundo acessíveis por meio da IBM Quantum Platform. Em 2029, essa instalação abrigará o sistema Starling, representando o próximo capítulo da notável história da computação de Poughkeepsie. [4]

IBM Quantum System Two instalado no data center de Poughkeepsie, que atualmente hospeda os computadores quânticos mais avançados do mundo (Foto: IBM, 2025)

Discurso do Estado da União da Quantum Developer Conference 2025 da IBM

Linha do tempo e projeções do Quantum Advantage