沉寂半年，王者归来！IBM高调亮剑量子计算：2029年推出大规模容错量子计算机，新路线图亮点满满

继Oxford Ionics、OQC、IonQ相继公布量子计算路线图后，IBM于6月10日发布了最新的IBM Quantum创新路线图，其目标毫不逊于上述公司，在技术细节、各项指标上更是看点满满！

具体而言，IBM这份更新后的路线图和两篇已发表在arXiv上的新研究论文的主要亮点包括：

· 更直接地定性了2029年的目标：推出大规模容错量子计算机Starling，将部署于纽约州波基普西市新建的量子数据中心，该系统的预期运算能力将达到现有量子计算机的20000倍（目前业界目标最高的是Quantinuum，承诺2030年实现通用容错量子计算，IBM的目标接近Quantinuum但没说通用）；

· 多年发展路线图包含三款致力于攻克特定挑战的处理器：Loon（2025年）、Kookaburra（2026年）和Cockatoo（2027年），它们将在2029年推出的Starling系统中得到整合；

· 预计年底推出新一代量子处理器Nighthawk，与前身Heron相似，但在连接性上迎来重大升级，将成为探索量子优势首批案例的平台；

· 披露了很多技术细节，包括模块化容错量子计算机端到端框架以及纠错解码器。

图：2025 IBM Quantum创新路线图

图：2025 IBM Quantum发展路线图

IBM表示“拥有实现容错量子计算的最可行路径”。到2029年，IBM将推出大规模容错量子计算机IBM Quantum Starling，能够在200个逻辑量子比特上运行包含1亿个量子门操作的量子电路。要表征IBM Starling的计算状态需要消耗超过10^48（一百万亿亿亿亿）台全球最强超级计算机的存储容量。Starling将使用户能够完整探索量子态的复杂特性，已超越当前量子计算机可触及的有限范围。

自2020年以来，IBM一直沿用量子路线图透明推进，规划了实现实用量子计算所需的步骤。该路线图的最新修订版规划了至2033年及以后的路径，迄今为止，IBM已成功实现每个里程碑。基于过去的成功，他们对持续进展充满信心。

图：IBM Quantum Starling的渲染图

IBM在博客文章中表示，自己“是全球唯一能够在本十年末运行数百个逻辑量子比特和数百万量子门规模量子程序的量子计算机构”。是什么让他们如此自信？先来看看这份最新的路线图。

IBM通向容错量子计算的路线图

全新的IBM量子路线图勾勒出了关键技术里程碑，这些里程碑将用于论证和实现容错计算的标准。路线图中的每一款新型处理器都致力于攻克特定挑战，以构建具备模块化、可扩展性和纠错能力的量子系统：

2025年推出IBM Quantum Loon：一种具有更高连接性的量子芯片，用于测试适用于量子低密度奇偶校验码（qLDPC）的架构组件，包括能在同一芯片内实现量子比特长距离连接的c-耦合器。

2026年推出IBM Quantum Kookaburra：将成为IBM首款用于存储和处理编码信息的模块化处理器。它会将量子存储器与逻辑运算相结合，这是将容错系统扩展至单芯片之外的基础构建单元。

2027年推出IBM Quantum Cockatoo：将通过L-耦合器实现两个Kookaburra模块的纠缠。这种架构能像大型系统中的节点一样将量子芯片连接起来，避免了构建不切实际的大型芯片的需求。

图：在未来两年内，IBM Quantum创新路线图中概述的处理器将展示对于实现首台容错量子计算机Starling至关重要的技术。

总而言之，未来两年，IBM路线图中概述的处理器将展示实现Starling（IBM首台容错量子计算机）所必需的技术。这一切将在位于纽约波基普西的Starling系统中得到整合。2028年，Starling将演示多模块魔法态注入的使用；2029年，Starling将扩展为能够在200个逻辑量子比特上运行1亿个门的系统。IBM预计在Starling诞生前就能实现量子优势——2026年，正致力于确保2029年前实现的优势能够在2029年及以后的容错量子计算机上无缝运行。IBM强调，等到2029年再投身于量子计算，可能会使企业落后于现在就开始开发优势规模应用的公司。

此外，为加速迈向量子优势的进程，IBM将于今年晚些时候发布新一代量子处理器IBM Quantum Nighthawk。Nighthawk将采用120量子比特的正方形晶格，与其前身Heron类似，它能够运行包含5000个门的量子电路。但正方形晶格比Heron的重六边形晶格提供了更高的量子比特连接性：正方形晶格中的每个量子比特直接连接到四个最近邻量子比特，而重六边形晶格中为两个或三个。更高的连接性将使Nighthawk的有效电路深度约为Heron的16倍，能够运行更复杂的电路，并成为探索首批真正量子优势案例的平台。

图：从2025年到2028年，Nighthawk的后续版本将使人们能够探索日益复杂的量子电路。

IBM表示将持续致力于提高其质量和连接性。到2028年，Nighthawk将能够运行包含15000个门的电路，还将通过l-耦合器连接最多9个模块，实现1080个连接量子比特。从2025年到2028年，Nighthawk的后续版本将支持探索日益复杂的量子电路。

此外，IBM还强调了软件的重要性。更新的路线图使用Qiskit Runtime引擎提高动态电路的可扩展性，并引入新工具来基准测试用例并将其扩展用于量子优势。它还引入了更优的缓错工具以支持更复杂的工作负载，以及旨在促进量子优势算法发现的实用映射工具。其他即将推出的软件进展专注于协调量子和高性能计算资源，IBM推出了新的C API，该API将允许Qiskit更直接地集成到HPC环境中。

IBM的信心主要源于已完成的重要理论工作，这些工作证明了IBM实现每个里程碑的能力以及实现它们的路线图。

技术细节

通过两篇新的技术论文，IBM详细介绍了如何构建大规模的容错量子计算架构。

论文1：Tour de gross: A modular quantum computer based on bivariate bicycle codes

arXiv：2506.03094

在第一篇现已发表于arXiv的新论文中，IBM详细阐述了一种基于双变量自行车码（bivariate bicycle codes）的模块化容错量子计算机端到端框架，揭示了该系统如何利用量子低密度奇偶校验码（qLDPC码）高效处理指令并运行量子操作。该研究基于一项突破性量子纠错方案，该成果曾于2024年以封面论文形式发表于《Nature》（https://doi.org/10.1038/s41586-024-07107-7《高阈值且低开销的容错量子存储》），首次提出了量子低密度奇偶校验码（quantum low-density parity-check codes，qLDPC）。相较于主流纠错编码方案，qLDPC码能将纠错所需的物理量子比特数量锐减约90%，显著降低资源开销。研究还系统量化了可靠运行大规模量子程序所需的资源规模，通过对比论证充分证明了该架构相较于其他方案的显著优势。

图：IBM提出的容错模块化架构基于IBM研发的双变量自行车码构建。

IBM详细阐述了实现可靠大规模量子计算可扩展架构的六个基本标准，并展示了“自行车架构”如何满足这些标准：

容错性（Fault-tolerant）：逻辑错误被充分抑制，确保核心算法能够成功执行。

可寻址性（Addressable）：在整个计算过程中，可对单个逻辑量子比特进行制备或测量。

通用性（Universal）：可对逻辑量子比特执行通用量子指令集中的所有操作。

自适应性（Adaptive）：测量结果可实时解码，并据此动态调整后续量子操作。

模块化（Modular）：硬件由多个可替换的量子互联模块组成，具备分布式架构。

高效性（Efficient）：能以合理的物理资源开销执行核心量子算法。

论文2：Improved belief propagation is sufficient for real-time decoding of quantum memory

arXiv：2506.01779

第二篇论文中，IBM详细介绍了首个准确、快速、紧凑且灵活的纠错解码器Relay-BP，旨在为大规模量子计算机实现实时量子线路解码。该解码器在各类线路噪声解码问题中均表现出卓越性能：针对双变量自行车码显著优于BP+OSD+CS-10方案，对表面码的解码精度则可媲美最小权重匹配算法。作为轻量级消息传递解码器，Relay-BP具有天然的并行特性，可通过FPGA或ASIC实现快速低资源占用的实时解码，其优势与标准置信传播（BP）算法相当。

解码器的核心创新在于通过引入无序记忆强度来增强标准BP算法，这种机制既能抑制振荡现象，又可打破传统BP算法易陷入的对称性陷阱。通过采用接力式（relay）动态记忆强度调节策略，Relay-BP能连续捕获多个有效纠错方案以提升解码精度。研究人员发现，包含负值且符合问题特性的记忆强度分布对实现优异性能具有不可或缺的作用。

计算的未来

Starling量子计算机将落户于IBM纽约波普基普西实验室——这个自1941年起便缔造了无数计算技术里程碑的传奇之地。该实验室1944年研制出电动打字机，1952年诞生了IBM首台商用计算机701，1960年代更推出了划时代的System/360大型机。如今，这里不仅是IBM在美国的核心制造基地，更建有IBM量子数据中心，通过分级访问机制为全球研究者提供顶尖量子算力。预计到2026年底，这些量子计算机将在经典高性能计算（HPC）协同下实现量子优势。

图：使用IBM Quantum System Two、Starling和Blue Jay的波基普西数据中心渲染图。

IBM声称其量子服务已经产生了10亿美元的销售额，尽管目前的应用仍然主要局限于研究。据IBM称，Blue Jay系统计划在2033年（Starling推出四年后）完成，将使用2000个逻辑量子比特和10亿个量子门运行。

“这是我能花时间做的最令人兴奋的事情，”在IBM从事量子研究15年的IBM 研究员兼量子系统主管Jerry Chow说：“我们可以重新定义未来的计算。”

现如今，美国乃至全球的科技巨头、初创企业、金融机构及制药公司正纷纷向这项革命性技术注入巨额投资。IBM于今年4月宣布，计划五年内在美投资1500亿美元，其中300亿美元专项用于提升大型机与量子计算机的研发制造能力。该公司还提出“以量子为中心的超级计算”发展蓝图，旨在通过量子技术增强传统算力资源，实现优势互补。

若进展顺利，随着生成式人工智能的突飞猛进，量子计算有望迎来爆发式发展——两者的结合将释放惊人的运算潜力。“其发展前景不可限量，”Chow指出。

参考链接

[1]https://www.ibm.com/quantum/blog/large-scale-ftqc

[2]https://arxiv.org/abs/2506.03094

[3]https://arxiv.org/abs/2506.01779

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07107-7

[5]https://phys.org/news/2025-06-ibm-real-world-edge-quantum.html