IBM 量子運算 2025-2029: 爭取容錯量子優勢
執行摘要
IBM 站在量子運算革命的最前線，有望從根本上改變我們處理運算挑戰的方式。 計算挑戰的方式。隨著最近 IBM Quantum Nighthawk 處理器的推出以及延伸至 2029 年的 隨著最近 IBM 量子夜鷹處理器的發表以及延伸至 2029 年的全面路線圖，該公司已勾勒出一條雄心勃勃的發展路徑，從今日的量子實用性展示 到能夠運行 1 億門電路的容錯量子電腦。
這段旅程包括突破性的硬體創新、透過 Qiskit 進行革命性的軟體開發、與 Cisco 等業界領導廠商建立策略夥伴關係，以及建立先進製造能力、 與 Cisco 等業界領導廠商的策略夥伴關係，以及先進製造能力的建立。 能力，使 IBM 成為邁向量子優勢的領導者。
量子優勢的曙光
量子運算領域已經到了一個關鍵時刻。IBM 研究人員及其全球合作夥伴現正 展示了挑戰傳統超級電腦能力的量子電路，標誌著被專家稱為「量子優勢時代」的開始。 專家稱之為「量子優勢時代」的開始。 [1]
在最近的量子開發者大會上，IBM 發表了三個不同的量子優勢候選實驗。 優勢，包括可觀測估計、變量演算法，以及具有高效經典驗證的問題。 驗證。為了確保嚴格驗證這些進展，IBM 與 Algorithmiq、Flatiron 研究所的研究人員，以及社群合作夥伴合作。 和 BlueQubit 合作，推出一個由社群主導的開放式量子優勢追蹤器。
"我們相信 IBM 是唯一有能力快速發明和擴展量子軟體的公司、 硬件、製造和糾錯，以釋放轉型應用、 表示。 [1]
IBM Quantum Nighthawk：優勢架構
IBM Quantum Nighthawk 處理器代表了量子架構設計的典範轉變。夜鷹處理器以 Nighthawk 整合了 218 個新一代可調式耦合器 - 比 IBM Quantum Heron 的 176 個耦合器大幅增加。 的 176 個耦合器大幅增加。 [2]
這種增強的連線能力使電路的複雜度比之前的 IBM 處理器高出 30%，同時又能保持量子優勢應用所需的低錯誤率。 維持量子優勢應用所需的低錯誤率。方形晶格設計可確保 每個量子位元可直接連接到四個最近的鄰居，而在重型六方格設計中只有兩個或三個連接。 而在厚重的六方晶格設計中只有兩到三個連接。
技術規格
| 特點 | IBM Quantum Heron | IBM Quantum Nighthawk |
|---|---|---|
| Qubits | 133 | 120 |
| 拓樸 | 重型六角 | 方格 |
| 耦合器 | 176 | 218 |
| 門數 | 5,000 | 5,000+ (擴充至 15,000) |
| 電路複雜性 | 基線 | 30% 更複雜 |
Nighthawk 的路線圖已超越 2025 年交付的 5,000 門初始能力。IBM 預計 數將於2026年底達到7,500個，2027年達到10,000個，並於2028年最終達到15,000個雙量子位元閘。 當結合l-couplers進行模組間連接時，以Nighthawk為基礎的系統可支援超過1,000個連接的量子位元。 連接的量子位元。
IBM Quantum Loon：容錯藍圖
IBM Quantum Loon 與 Nighthawk 的開發時程並行，是一個實驗性的概念驗證處理器。 量子計算 (FTQC) 所需的所有關鍵元件。 計算 (FTQC) 所需的所有關鍵元件。這款 112 位元處理器驗證了量子低密度奇偶校驗 (qTQC) 所需的架構基礎。 低密度奇偶校驗 (qLDPC) 編碼所需的架構基礎。 [3]
Loon 整合了多項突破性技術，包括可在同一晶片內遠距離量子位元之間建立長距離連接的 c-couplers 多個高品質路由層，以及對於錯誤校正協定而言不可或缺的量子位元重置功能。 對於錯誤修正協定來說是不可或缺的。這些創新技術為 IBM 的雙元 單車碼的技術基礎，與表面碼相比，可減少高達 90% 的物理量子位開銷。
Starling 的容錯路線圖
實驗性處理器，展示 c 耦合器、qLDPC 架構和所有關鍵 FTQC 元件。完成 年底前完成製造與組裝。
第一 quantum ai 處理器模組，能夠將資訊儲存於 qLDPC 記憶體，並透過附加的邏輯處理單元 (LPU) 進行處理。 邏輯處理單元 (LPU)。
使用通用適配器展示 qLDPC 模組間的纏結，實現多模組量子 計算。
在多個模組間整合神奇狀態注入，展現通用容錯量子 計算能力。
具有 200 個邏輯量子位元的全面容錯量子電腦，能夠執行 1 億個量子 門。
Starling 系統是 IBM 容錯量子運算研究的巔峰之作。基於 Starling 系統是 IBM 容錯量子運算研究的巔峰之作。 架構，使用邏輯處理單元和通用適配器，以達到前所未有的計算規模。 [4]
Qiskit 進化版：量子優勢軟體
單靠硬體的進步並不能提供量子優勢 - 必須搭配同樣精密的軟體能力。 軟體功能。IBM 的開放原始碼 Qiskit SDK 繼續為量子編程設定標準，其 2.2 版在性能上的改進使競爭平台相形見絀。
最近的基準測試顯示，Qiskit SDK v2.2 轉換量子電路的速度比 Tket 2.6.0 等其他框架快 83 倍。 框架（如 Tket 2.6.0）快 83 倍。當處理量子優勢應用所需的複雜電路時，此效能優勢變得非常重要。 量子優勢應用所需的複雜電路時，這項效能優勢變得非常重要。 [5]
主要軟體創新
C API 與 HPC 整合： Qiskit v2.x 引入了 C API，可與高性能計算環境進行本機整合。 高效能運算環境。新的 C++ 介面可讓量子經典工作負載 在分散式運算基礎架構上有效率地執行。
規模化的動態電路： 先進的電路註解可讓公用規模的動態電路 在量子執行期間結合經典操作。此功能可提供高達 25% 更精確的 結果，同時減少 58% 的雙量子位元閘需求。
進階錯誤緩解技術： 新工具如 Samplomatic 和執行者基元可實現 複雜的錯誤減緩技術，可將取樣開銷降低 100 倍以上。 概率錯誤消除方法相比，可將取樣開銷降低 100 倍以上。 [6]
IBM 與思科的合作關係：量子電腦的網路化
2025 年 11 月，IBM 和思科宣佈開創性合作，開發網路分散式 量子運算能力。此合作關係的目標是在 2030 年代初期，將多個大型容錯量子 計算機連接到一個統一的計算網路。 [7]
這項合作解決了量子運算最重要的擴充挑戰之一：如何達到超越個別量子系統所能提供的計算能力。 的計算能力。透過量子電腦的網路化、 需要數萬億量子門的問題在理論上變得可行。
技術架構
量子網路單元 (QNU)： IBM 將開發專門的介面，將量子處理單元 (QPU) 內固定的量子資訊轉換成可 量子處理單元 (QPU) 內的固定量子資訊轉換成可透過網路連線傳輸的「飛行」量子資訊。 傳輸的量子資訊。
微波-光學傳感器： 這些裝置可讓量子狀態的傳輸距離更長。 這些裝置可讓量子狀態的傳輸距離更長，有可能連接不同建築物或資料中心的量子電腦。
網路智慧： 思科的量子網路架構將動態重新配置網路路徑，並依需求分配糾纏資源，以支援複雜的量子演算法。 路徑，並依需求分配糾纏資源，以支援複雜的量子演算法。
該合作夥伴關係的目標是在 2030 年之前進行初步的概念驗證示範，最終目標是在 2030 年代末期建立量子網際網路的基礎技術。 建立量子網際網路的基礎技術。
300mm 製造：規模化製造
IBM 在 Albany NanoTech Complex 轉型至 300mm 晶圓製造，代表著量子處理器製造能力的根本性轉變。 量子處理器製造能力的根本性轉變。這個先進的設施讓 IBM 的研發速度提升一倍，同時晶片複雜度也提升十倍。 開發速度提升一倍，同時晶片複雜度增加十倍。 [8]
300mm 製程結合了最先進的半導體工具與 IBM 的量子專業技術、 使多個設計迭代可以並行進行。此方法已將處理器的開發時間縮短至少一半，同時支援量子效能所需的複雜架構。 時間至少縮短一半，同時支援容錯量子運算所需的複雜架構。
RelayBP 解碼器：即時錯誤校正
容錯量子運算需要即時的錯誤修正能力，以比錯誤累積更快的速度解碼綜合症資訊。 資訊的速度比錯誤累積的速度更快。IBM 的 RelayBP 解碼器代表了這項關鍵技術的突破。 技術上的突破，其解碼速度小於 480 奈秒 - 比其他領先方法快約 10 倍。 約 10 倍。 [9]
RelayBP 演算法特別設計為精確、快速、小巧且靈活，足以在現場可編程閘陣列 (FPGA) 或特定應用程式積體電路 (ASIC) 上實作。 在現場可編程閘陣列 (FPGA) 或應用程式專用積體電路 (ASIC) 上實作。 這項成果比 IBM 原定的時間表提前了整整一年完成，顯示出公司有能力 的能力。
波基普西電腦創新的傳承
IBM Poughkeepsie 設施延續了超過八十年的運算創新傳統。 自 1941 年成立以來，這座歷史悠久的廠房一直是突破性發展的發源地，包括 IBM 701（1952 年公司第一台商用電腦）、革命性的 System/360 大型機系列，以及今天最先進的量子電腦。 今日最先進的量子電腦。
位於 Poughkeepsie 的現有 IBM 量子資料中心目前擁有全球最強大的量子電腦 可透過 IBM 量子平台存取。到 2029 年，該設施將容納 Starling 系統，代表著波基普西非凡計算歷史的下一個篇章。 Poughkeepsie 非凡計算歷史的下一個篇章。 [4]
量子優勢時間表與預測
| 年份 | 里程碑 | 門數 | Qubits | 意義 |
|---|---|---|---|---|
| 2025 | 夜鷹發射 | 5,000 | 120 | 方格拓樸、量子優勢探索 |
| 2026 | 量子優勢 | 7,500 | 360 | 經社區驗證的量子優勢 |
| 2027 | 公用事業規模 | 10,000 | 500+ | 商業量子應用 |
| 2028 | 模組網路 | 15,000 | 1,000+ | 多模量子系統 |
| 2029 | Starling FTQC | 100,000,000 | 200 邏輯 | 容錯量子運算 |
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常見問題
來源與參考資料
圖片來源： 本文所有圖片均來自 IBM Research、IBM Newsroom 官方公告、 及授權科技媒體。量子處理器圖片、設施照片和系統渲染圖由 IBM Corporation 提供，並用於教育和新聞目的。 IBM Corporation 所提供，並用於教育與新聞用途。其他可視化圖片來自 The Next Platform、 Tom's Hardware 和 The Quantum Insider。
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研究論文
Kristof GeorgeAI 策略師、金融科技顧問兼 QuantumAI.co 發行商
Kristof George 是一位經驗豐富的數位策略師和金融科技出版商，在人工智慧、演算法交易和線上金融教育的交叉領域擁有超過十年的經驗。身為 QuantumAI.co 的幕後推手，Kristof 已經策劃並發表了數百篇專家評論文章，探討量子增強交易、基於 AI 的市場預測系統以及次世代投資平台的興起。
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