IBM的最新量子計算路線圖提供一項詳盡可靠的計劃，希望能在十年之內構建起一台糾錯量子電腦。IBM的上一份主要路線圖更新發布於2022年5月，首先羅列了從2019年到2025年的開發計劃，同時對2026年的前景做出了一般性展望。
IBM量子計算藍圖愈發複雜
今年，伴隨著大量基礎工作的完成，再加上計劃中的高級開發內容準備就緒，IBM又發布了兩份路線圖：軟硬體開發路線圖以及創新路線圖。
這兩張新路線圖並沒有像去年的版本那樣對未來幾年做短期展望，而是直接揭示了IBM未來十年的量子計算規劃。
今年11月，Moor Insights & Strategy CEO兼首席分析師Patrick Moorhead和我受邀前往位於紐約約克鎮的IBM研究中心，聽取了IBM院士兼量子計算副總裁Jay Gambetta博士關於新版路線圖的簡報。
想當初量子作為一種可行的資訊處理技術剛剛出現時，Gambetta博士就將IBM定位為量子計算創始紀元的領導者。在此期間，IBM通過網路對外開放量子算力，藉此刺激了量子技術的創新。
Gambetta博士認為，IBM三大早期里程碑成為後來量子計算發展的基礎，分別是：
2016年5月通過IBM Quantum Experience開放量子計算雲服務。
2017年3月推出開源SDK Qiskit工具包。
2019年1月構建起首台商用量子電腦IBM Quantum System One。
2023年及以後：硬體路線圖概述
此次路線圖顯示的下一個關鍵領域，主要反映量子機器最終糾錯擴展所需要的方法和架構開發思路。提高量子比特保真度以及軟體/系統架構的功能，無疑成為充分利用硬體逐年改進的必要前提。
IBM的硬體路線圖揭示了關於量子比特和晶片級創新如何逐步實現更長的相干時間、更好的錯誤抑制以及更強的可擴展性的具體細節。IBM優先考慮計算質量，並在路線圖中反映了逐年改進趨勢，認為下個十年內將出現規模更大的糾錯機器。
從路線圖末尾的加速量子比特計數、門計數和糾錯機制可以明顯看出，IBM相信到某個特定時間，量子比特將不再成為限制量子計算規模的瓶頸。從那時起，IBM開始將重點轉移到構建更大的系統，並假設量子比特的質量可以穩定維持。在展示中，IBM正努力減少並控制量子比特錯誤。
下一代Heron處理器將展示IBN如何改進其量子比特控制能力。IBM重新設計了133量子比特Heron處理器的控制機制，希望最大程度降低量子比特上的噪聲。
Heron的模塊化架構基於可調諧耦合器，這一點與之前的量子處理器架構有所不同。新架構將量子處理器接入公共控制基礎，以便數據能在多晶片環境中的QPU及其他晶片之間以經典方式實時流動。藍色巨人還發布一種新的多量子比特門方案，其速度更快且保真度更高。
Heron是首款使用新架構的IBM晶片，該架構使用經典耦合器連接多個處理器，由此實現經典的並行化設計。多晶片Heron在配置上支持擴展，能夠根據需求和應用要求進行硬體延伸。
量子硬體的模塊化設計、經典耦合與並行化，都是開發未來量子處理器的基本要素。Heron中集成的經典邏輯還減少了系統延遲。
這些量子比特技術將成為未來先進糾錯方案的基礎，供路線圖中更先進的後續處理器使用。
此外，IBM還在路線圖中制定了超越傳統電腦能力的短期與長期性能目標。IBM致力於在2024年達成讓100量子比特獲得實際應用質量與電路深度水平的目標。而根據後續路線圖顯示，2030年之前糾錯邏輯量子比特將得到穩步改進。
耦合器的重要意義
IBM的路線圖還提及基礎的短程與遠程量子耦合技術。耦合器允許量子比特在邏輯層面進行縮放，因此無需製造更大的晶片。這樣就能適應不斷增加的輸入輸出密度，避免引入更多信號輸入和輸出系統。
耦合方案要求每個量子比特具有相同數量的接線，而耦合器擴大了所占面積，避免同等物理空間內擠進太多線路。
短程耦合器使用晶片到晶片並行化機制來擴展多個晶片之間的IBM重六角晶格。通過創建更大的邏輯晶片，即可有效擴展量子比特。擴展邏輯晶片的門速度及門保真度不會影響性能，因為它們與各晶片中的門速度和門保真度大致相同。
遠程耦合器使用接線連接多個獨立模塊，以便量子資訊能夠在各量子處理器間共享。IBM估計這種鏈接比短程晶片到晶片的耦合速度要慢一些，保真度也會略有下降；但這樣的設計允許以編程方式調整並適應差異因素。遠程耦合的最大優勢，在於允許將模塊拆分開來以獲取額外的輸入輸出空間。
軟體路線圖概述
要想擴展並增強IBM硬體，也離不開廣泛的軟體與架構增強。2024年，IBM將發布Qiskit 1.0。作為一項重大進展，這意味著運行時將能夠管理量子比特的控制與經典接口，從而在跨模塊化單元之上建立起可有效執行的複雜量子電路。架構層面的改變使得多量子處理器間的連接成為現實，也為使用上千邏輯量子比特解決大型傳統難題奠定了基礎。
Qiskit 1.0將為開發者構建量子電路和應用提供穩定可靠的平台，這也是讓量子計算「飛入尋常百姓家」、獲得實際應用的重要前提。
這份路線圖還支持以量子為中心的超級電腦概念，強調經典電腦與量子電腦相融合，利用不同的技術處理各自擅長的任務。軟體和系統創新將在平衡經典資源的同時，最大化提升量子並行性。如此一來，量子計算就能更高效地在廣泛應用中發揮作用。
IBM的可靠糾錯實現路徑
IBM路線圖中的軟硬體開發舉措，希望能在2029年內讓糾錯量子計算成為可能。IBM已經規劃出一條有序邏輯路徑，用於創建模塊化的糾錯架構。IBM目前正在努力開發低密度奇偶校驗，這是一種前景光明的軟體糾錯碼。
在路線圖上，可以看到憑藉多晶片鏈接在量子處理器間建立的通信，未來四年內Flamingo處理器將擁有更強的糾錯能力，從而將2025年的5000門增長至2028年的15000門。此外，IBM還模擬並驗證了為二維最近鄰量子比特陣列量身定製的獨特糾錯協議。
2026年，Kookaburra處理器中的邏輯內存和操作將證明大規模噪聲抑制的可行性。從2028年開始，這種噪聲抑制將與Starling處理器中穩定增長的電路深度和量子比特數量相結合，從而帶來超出經典驗證極限的準確輸出。
量子計算的進取之路
總之，IBM制定了一份為期十年的積極路線圖，希望解決糾錯這一終極量子挑戰。新的路線圖涵蓋IBM開發的新系列量子處理器、軟體與服務計劃，有望讓下一代以量子計算為中心的超級電腦逐步成為現實。而量子處理器、CPU與GPU三大算力資源的攜手合作，有望解決世界上一系列最具挑戰的計算問題。
IBM的整個路線圖開發和計劃將於2033年收束，最終定格在2000量子比特與10億量子門的位置。IBM意識到還需要教育和支持工具來協助構建這些計劃中的量子系統，因此這項長達十年的計劃可能需要相應的生態系統。如果一切進展順利，也許眾多棘手的現實挑戰都將在糾錯量子電腦面前被一一破解。
