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邁向量子運算的大規模容錯能力
執行高效容錯架構的關鍵在於改錯碼的選擇，以及如何設計和構建相應系統，大規模使用該改錯碼。
之前被視為「黃金標準」的改錯碼以及其他的替代方案，往往面臨根本性的工程挑戰。為了擴大規模，它們需要足夠的邏輯量子位元來執行複雜的操作，而這意味著「天量」（不可能實現的數量）的物理量子位、基礎設施和控制電子設備。因此，小規模的實驗和設備無法實現這個目標。
一台兼顧實用性和規模化的容錯量子電腦所需的架構應該：
- 具備高容錯性，透過高效糾錯，確保演算法的有效性。
- 具備準備和測算邏輯量子比特的運算能力。
- 能夠將通用指令應用於邏輯量子比特。
- 即時解碼邏輯量子比特的測量值，並改變後續指令。
- 採用模組化設計，可擴展到數百或數千個邏輯量子比特來運行複雜運算。
- 高效利用現有物理資源（例如能源和基礎設施），運行有意義的演算法。
IBM 最新發表的兩篇技術論文，詳細介紹了如何解決上述標準以構建大規模容錯架構。
第一篇論文探討系統如何使用qLDPC 改錯碼有效地處理指示並運行操作。這項研究基於《自然》雜誌的一篇封面故事所介紹的突破性糾錯方法，尤其是量子低密度同位 (qLDPC) 改錯碼。與其他主流的改錯碼相比，該代碼大幅減少了糾錯所需的物理量子比特的數量，並將所需開銷減少約 90%。此外，論文還列出了可靠地運行大規模量子程式所需的資源，以證明這種架構的效率優於其他架構。
第二篇論文描述如何有效地解碼來自物理量子比特的資訊，並指出一條利用傳統運算資源即時識別和糾正錯誤的可行路徑。
「築夢踏實」
最新的 IBM 量子運算發展計畫呈現了執行容錯標準的關鍵技術里程碑。為了實現模組化、可擴展和糾錯的量子電腦，IBM還將推出一系列量子處理器，克服相應的技術難關：
- IBM Quantum Loon （代號：潛鳥） 預計於 2025年推出，旨在測試 qLDPC 代碼的架構元件，包括在同一晶片內連接更遠距離量子比特的「C 耦合器」。
- IBM Quantum Kookaburra（代號：笑翠鳥）預計於2026年推出，將成為 IBM 首款用於儲存和處理編碼資訊的模組化量子處理器。它將量子儲存與邏輯運算結合起來 — 是擴展容錯系統到單一晶片之外的關鍵步驟。
- IBM Quantum Cockatoo（代號：鳳頭鸚鵡）預計於 2027 年推出，它將使用「L 型耦合器」連接兩個 Kookaburra 模組。這種架構可以讓量子晶片像系統節點一樣串連起來，避免組成單一超大晶片。
以上創新成果預計將在2029 年由IBM Quantum Starling完整呈現。
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