IBM 新的量子计算路线图提供了一个详细且可靠的计划，旨在在本世纪末之前构建一台纠错量子计算机。 其于 2022 年 5 月发布的最后一次主要路线图更新包含从 2019 年到 2025 年的逐年开发活动，以及有关 2026 年的一些一般信息。

　　IBM 量子计算的复杂性增加

　　今年，由于已经完成了如此多的基础工作，以及正在计划中的高级开发工作，IBM 创建了两个路线图：开发路线图和硬件和软件的创新路线图。

　　这两份新的路线图没有像去年路线图中那样对未来几年进行小小的一瞥，而是揭示了IBM未来十年的量子计算计划。

　　11月，IBM研究员兼IBM Quantum副总裁Jay Gambetta博士发布了关于新路线图的简报。

　　从历史上看，Gambetta 博士将 IBM 定位为量子计算第一个时代的领导者，当时量子作为一种可行的信息处理技术出现。在此期间，通过使量子计算机能够使用互联网访问，IBM 帮助刺激了量子创新。

　　Gambetta 博士认为，IBM 的三个早期里程碑是随后量子计算进展的基础。 这些曾经是：

　　2016 年 5 月通过 IBM Quantum Experience 将量子计算置于云端

　　2017 年 3 月推出开源 SDK 形式的 Qiskit 工具包

　　2019 年 1 月创建第一台商用量子计算机 IBM Quantum System One

　　2023 年及以后：硬件路线图概述

　　今年路线图中显示的下一个关键重点领域反映了量子机器最终纠错扩展所需的方法和架构的开发。 提高量子位保真度以及软件和系统架构的功能对于利用每年进行的硬件改进非常重要且必要。

　　IBM 的硬件路线图揭示了有关量子位和芯片级创新如何逐步实现更长的相干时间、更好的错误抑制和更大的可扩展性的详细信息。 IBM 优先考虑质量，并且在逐年的基础上，路线图反映了不断的改进，直到未来十年出现更大的纠错机器。

　　从路线图后期显示的加速量子位计数、门计数和纠错可以明显看出，IBM 相信在某个时候量子位将不再限制量子计算机的规模。 就在那时，IBM 的重点转移到构建更大的系统，并假设量子位质量将会存在。 IBM 已经证明它正在减少和控制量子位错误。

　　下一代 Heron 处理器是 IBM 如何改进其量子比特的一个例子。IBM 重新设计了 133 量子比特的 Heron 量子控制，以最大限度地减少量子比特之间的噪声。

　　苍鹭的模块化架构基于可调耦合器，与之前的量子处理器架构不同。新架构将量子处理器连接到一个通用的控制基础设施，以便数据可以在多芯片环境中的QPU和其他芯片之间经典地实时流动。它还使用了一种新的多量子比特门方案，该方案速度更快，保真度更高。

　　Heron 是第一款使用新架构的 IBM 芯片，该架构允许使用经典耦合器连接多个处理器，以实现经典并行化。多芯片 Heron 配置是可扩展的，并基于需求和应用要求。

　　量子硬件的模块化设计、经典耦合和并行化都是设计未来量子处理器的基本要素。Heron 中集成的经典逻辑还减少了系统延迟。

　　这些量子比特技术是未来高级纠错方案的基础，路线图中更先进的处理器将使用这些方案。

　　此外，在路线图中，IBM还建立了超出传统计算机能力的近期和长期计算性能目标。到 2024 年，IBM 承诺达到 100 个量子比特的实际应用所需的质量和电路深度水平。之后，路线图显示，在2030年之前，纠错逻辑量子比特演示将稳步改进。

　　耦合器的重要性

　　IBM 的路线图引入了基础的短程和长程量子耦合技术。耦合器允许量子比特在逻辑上扩展，而无需制造更大的芯片。这适应了更高的输入输出密度，否则需要将更多信号传入和传出系统。

　　耦合方案要求每个量子比特具有相同数量的导线，但耦合器会扩展占用空间，以便不会将更多导线塞入相同的物理空间。

　　短程耦合器使用芯片到芯片并行化来扩展 IBM 在多个芯片之间的重六角晶格。这通过创建更大但合乎逻辑的芯片来有效地扩展量子比特。扩展逻辑芯片的栅极速度和栅极保真度不会影响性能，因为它们与单个芯片中的栅极速度和栅极保真度大致相同。

　　远程耦合器使用电缆连接多个独立的模块，以便在量子处理器之间共享量子信息。IBM估计，这种链路将比短程芯片到芯片耦合更慢，保真度更低;但是，可以进行编程调整以调整差异。长距离耦合的优点之一是它允许将模块分开以获得额外的输入输出空间。

　　软件路线图概述

　　扩展和增强 IBM 的硬件还需要大量的软件和架构增强。2024 年，IBM 将发布 Qiskit 1.0。这是一项重大发展，因为这意味着运行时将管理量子比特控制和经典接口。这对于跨模块化单元高效执行复杂的量子电路至关重要。架构更改将使链接多个量子处理器成为可能，这可能是必要的，以便能够使用 1,000 多个逻辑量子比特来应对前所未有的问题规模。

　　Qiskit 1.0 将为开发人员构建量子电路和应用提供一个稳定可靠的平台。这是使量子计算更容易为更广泛的用户所接受和实用的重要一步。

　　该路线图还支持以量子为中心的超级计算机的概念，这是经典计算机和量子计算机的融合，每种技术都可以处理其最擅长的事情。软件和系统创新将平衡经典资源的使用，同时最大限度地提高量子并行性。这意味着量子计算可以更高效地用于广泛的应用。

　　IBM 拥有可靠的纠错途径

　　IBM 路线图中的硬件和软件开发旨在使纠错量子计算在 2029 年成为可能。IBM 已经规划了一条顺序和逻辑路径，用于创建模块化、纠错架构。IBM目前正致力于进一步开发低密度奇偶校验，这是一种很有前途的软件纠错代码。

　　在路线图上，使用多芯片链接在量子处理器之间建立通信，四年内的错误缓解 Flamingo 处理器将从 2025 年的 5,000 个门增长到 2028 年的 15,000 个门。 模拟并验证了为二维最近邻量子位阵列量身定制的独特纠错协议。

　　到 2026 年，Kookaburra 处理器中的逻辑内存和操作证明大规模噪声抑制是可能的。 从 2028 年开始，这种噪声抑制与 Starling 处理器开始稳定增加的电路深度和量子位计数相结合，可产生超出经典验证所能达到的纠错准确输出。

　　量子计算的积极进取之路

　　总之，IBM 制定了一个长达十年的积极路线图，旨在解决纠错这一终极量子挑战。 新的路线图反映了IBM创建新系列量子处理器、软件和服务的计划，这将导致下一代超级计算机——以量子为中心的超级计算机的实现。 量子处理器、CPU 和 GPU 的组合资源有望解决世界上一些最具挑战性的计算问题。

　　IBM 的所有路线图开发和计划最终都会在 2033 年以 2,000 个量子位和 10 亿个量子门的形式收敛。 IBM 意识到它还需要教育和支持工具来支持构建其计划的量子系统。 这项长达十年的计划可能会创建一个生态系统，其中包括能够解决我们以前许多棘手的现实世界挑战的纠错量子计算机。

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