IBM 量子芯片重磅亮相，加速量子计算商业化进程

量子计算领域终于迎来热度的显著提升。除了 QuEra、IonQ、Quantum Computing、Quantinuum、D - Wave 和 Alice & Bob 等资金充裕的新兴公司与初创企业外，谷歌、微软、亚马逊网络服务和英伟达等声名远扬、资源丰富的科技巨头也纷纷入局。它们有的致力于构建量子处理器（QPU），有的专注于模拟量子处理器，还有的在尝试将量子处理器与传统超级计算机进行集成。

在过去一年左右的时间里，众多此类公司在纠错、量子比特数量和退相干、规模以及量子优势等方面取得了重大突破。量子优势指的是量子计算机能够解决经典计算机无法解决的问题，或者能够解决经典计算机需要耗费数年时间才能完成的问题，这使得传统方法在实际应用中变得不切实际。

在众多投身量子计算的公司中，拥有 114 年历史的科技巨头 IBM 无疑是最受瞩目的存在。数十年来，IBM 一直积极应对量子计算的挑战，并在过去一年里频繁登上新闻头条。今年 6 月，IBM 公布了其量子计算路线图，旨在整合构建 Quantum Starling 所需的各项组件。Quantum Starling 是一个大规模、容错的量子系统，IBM 高管表示，该系统将于 2028 年建成，并于一年后通过 IBM 在纽约州波基普西市建设的量子数据中心投入使用。

此后，IBM 在量子计算领域动作不断。它与 AMD 展开合作，证明其量子计算纠错算法可以在 AMD 芯片上运行；还与量子初创公司 Pasqal 合作，详细阐明定义量子优势所需的条件，并 “严格确认” 是否实现了优势。因为提出量子优势主张的公司必须提出假设并进行验证，而外部人士则会尝试支持或反驳这一主张。

本周，在亚特兰大举行的第二届年度量子开发者大会 2025 上，IBM 兑现了其路线图中的承诺，推出了量子 Nighthawk 处理器，该处理器将于今年年底交付给用户。Nighthawk 处理器将与量子软件一起，在 2026 年底前实现量子优势方面发挥核心作用。

同时，IBM 还发布了被其高管称为 “实验性处理器” 的 Quantum Loon，它包含了容错量子计算所需的关键处理器组件，旨在解决量子计算长期以来面临的挑战。

在软件方面，IBM 新推出的量子软件表现出色。高管们介绍，该软件可将超过 100 个量子比特电路的精度提高 24%，并将获得精确结果的成本降低 100 倍以上，同时将量子纠错解码速度提升 10 倍（比其他方法快一年），且提前一年实现这一成果。此外，IBM 还与 Algorithmiq、Flatiron Institute 和 BlueQubit 等机构合作，将实验结果贡献给一个全新的开放社区系统，该系统用于追踪量子优势的宣称。IBM 表示，尽管此类宣称已经出现，但首批经过验证的量子优势案例将在 2026 年得到确认，此举旨在确保此类宣称能够得到验证和确认。

IBM 院士兼 IBM 研究院院长杰伊・甘贝塔表示：“要将真正有用的量子计算带给世界，需要很多支柱。IBM 是唯一一家能够快速发明和扩展量子软件、硬件、制造和纠错技术，从而解锁变革性应用的公司。”

此次在亚特兰大活动上发布的 Nighthawk 将包含 120 个超导量子比特，这些量子比特通过 218 个可调耦合器以正方形晶格的形式与其四个最近邻量子比特相连。它的耦合器数量比其前代产品 Quantum Heron 增加了 20% 以上。连接性的提升意味着，用户能够执行比 Heron 复杂度高 30% 的电路，同时仍能保持较低的错误率。

下图所示为包含 Nighthawk 芯片的晶圆：

Nighthawk 是 IBM 将在四年内推出的四代 Nighthawk 处理器中的第一代，每一代都将提供更佳的质量和连接性。下一代 Nighthawk 预计将于 2026 年底发布，届时将提供多达 7500 个量子门，而下一年推出的下一代产品将提供 10000 个量子门。到 2028 年，基于 Nighthawk 的系统将包含多达 15000 个双量子比特门，并连接超过 1000 个量子比特，这些量子比特将通过 IBM 去年首次展示的长程耦合器进行扩展。

IBM 的 Loon 处理器是迈向可扩展且容错的 Starling 量子系统的关键一步。高管们指出，它包含了构建这种容错计算机所需的所有关键组件。其特性包括多个高质量、低损耗的路由层，可实现更长的片上连接，突破了最近邻耦合器的局限，将远距离的量子比特物理连接到同一芯片上；以及在计算间隙重置量子比特的方法。

在技术合作与研发方面，IBM 与 AMD 的合作表明，经典计算机可以使用 qLDPC（量子低密度奇偶校验）实时准确地解码错误。该公司在去年年初发表于《自然》杂志的一份研究报告中描述了这项技术，并且该技术比原计划提前一年交付。IBM 今年早些时候开发的名为 Relay - BP 的置信传播算法，利用 qLDPC 技术在经典计算机上运行，以解决量子计算错误。这一算法对于 IBM 与 AMD 的合作至关重要，它可以利用经典计算机硬件，通过 qLDPC 码实时解码错误，解码时间不到 480 纳秒。

在生产制造方面，IBM 本周宣布，其量子芯片的处理器晶圆将在位于纽约奥尔巴尼纳米技术中心的先进 300 毫米晶圆制造厂生产。借助该工厂，IBM 已经能够显著提升其量子处理器的性能，提高量子比特的连接性、密度和性能。这使得其研发速度提高了一倍，因为构建新处理器所需的时间至少缩短了一半，同时还实现了芯片复杂度提升 10 倍的目标。

此外，IBM 正在或计划改进 Qiskit，这是一款 IBM 开发的用于量子系统的开源软件开发工具包。包括扩展动态电路功能，从而提高 24% 的精度，并为 Qiskit 引入新的执行模型，将系统某些部分获得准确结果的成本降低 100 倍以上。IBM 还为 Qiskit 添加了 C++ 接口，以便开发人员可以在其 HPC 环境中对量子进行原生编程，并且到 2027 年，还将把计算库引入机器学习和优化等领域。