IBM正在推进量子计算领域的技术研发，持续追踪通往IBM Quantum Starling的进展。
IBM计划于2029年交付IBM Quantum Starling，该系统能够在200个量子比特上运行1亿次困难操作。
IBM已验证c-耦合器技术，用于实现密集的非局域量子比特连接。
对IBM qLDPC编码的改进，使得量子比特之间只需五个连接而非六个连接成为可能。
IBM的Relay-BP解码器目前已满足Starling的性能要求，同时降低了解码所需的计算开销。
借助l-耦合器、模块化低温系统和低温专用集成电路控制电子设备，IBM已经展示了容错系统所必需的模块化扩展能力。
IBM正在建造全球首台容错量子计算机IBM Quantum Starling。该系统计划于2029年推出，届时将能够在200个量子比特上运行包含1亿次量子操作的量子电路。
Starling的技术框架在2025年的一篇论文中有详细描述，该论文提出了一条实现容错的路径，即通过构建硬件来实现IBM在2024年《自然》杂志发表的二元自行车量子低密度奇偶校验（qLDPC）纠错码。关键在于，该编码以模块化方式实现，从而实现了超越单体架构所能达到的可扩展性。
论文中详述的模块化架构相比以往方法，资源需求降低了一个数量级。在相同的逻辑错误率下，Starling的qLDPC架构所需的物理量子比特数量减少了约10倍。该系统通过组装多个模块构建而成，每个模块都包含一个量子存储器和一个逻辑处理单元（LPU），后者可对存储器执行逻辑运算。这些模块配备通用适配器，可通过l-耦合器相互连接。此外，复杂的模块化低温和控制系统负责容纳这些模块并使其在超低温环境下运行。
以下内容分为六个类别，介绍了迈向Starling的重大技术进展更新。这些进展是并行推进的，但并非彼此孤立——某一组件获得的经验教训会影响其他组件的进展。综合来看，下文概述的工作代表了构建Starling、兑现容错量子计算承诺的重大进展。
器件物理
一年前，IBM发布了IBM Quantum Loon，用以展示实现IBM qLDPC编码所需的许多关键组件，包括量子比特复位电路和用于跨芯片连接量子比特的“c-耦合器”，这是建立qLDPC编码所需六路量子比特连接的先决条件。
此后，测得Loon的量子比特弛豫时间（T1）约为200微秒，复位时间常数为20纳秒至40纳秒。其门操作的错误率中位数接近0.3%。Starling的最终目标是将T1提升至毫秒量级，门错误率降至0.01%的低水平。器件的物理设计正是为实现这一低错误率而打造。事实上，我们在Heron和Nighthawk处理器上已经常规测得0.01%量级的高端门错误率——最低可达0.04%。将测试器件（目前相干时间处于个位数毫秒量级）的相干时间迁移过来，也将有助于实现更低的错误率。
同时，了解c-耦合器层会引入多少损耗也十分重要，这有助于我们估算门错误率的极限。这方面的结果同样非常令人振奋。谐振器的品质因数超过1000万，已超出Starling所需的目标。此外，研究发现，信号穿过c-耦合器层仅会导致品质因数出现极小幅度的下降，这意味着可以增加芯片中所使用的c-耦合器层数。最初使用的是两层，目前已增加到三层，并计划达到四层或更多。增加层数将实现更复杂的布线，并能有效缩短c-耦合器所需建立的一些最长连接。
上述结果验证了c-耦合器是实现量子处理器非局域密集连接的可行方案。
量子处理单元（QPU）
在量子处理单元（QPU）的组装方式方面也取得了进展。
其中，有两项激动人心的进展与器件整体良率和复杂度相关。首先，对qLDPC编码的改进使得量子比特之间只需五个连接而非六个，同时将逻辑错误率降低了20至100倍。其次，借助进一步的耦合器创新，我们发现了减少约瑟夫森结数量的方法。将这些进展结合起来，所需的约瑟夫森结数量已减少超过一半，从约5000个降至2000个。
结数量的减少意味着器件良率将有所提升。以99.95%的结良率目标计算，在使用5000个结的情况下，大约每12个处理器中只有1个能完全正常工作；而在使用2000个结的情况下，每3个处理器中就有1个能完全正常工作——良率提升了4倍。结数量的减少也有助于降低器件中关键结分布的差异。
最后，c-耦合器的长度已增加到20毫米，这有助于放宽量子处理器上量子比特与耦合器的严格密度要求。
这一系列令人振奋的成果——包括c-耦合器内部及之间展现的高品质因数、改进后的编码以及器件良率的提升——促使我们对模块化处理器进行了重新设计。新设计降低了模块化qLDPC编码处理器的风险并提升了良率，因而将使Starling受益。一年前，我们还无法设想到这一点，这充分展示了持续的创新如何推动我们不断实现更优的设计。
模块化解码器
解码器是用于识别量子电路中错误的经典算法，是实现容错量子计算所必需的。IBM于2025年推出了Relay-BP解码器，并证明其在提供比主流替代方案更优逻辑错误率的同时，还能降低解码所需的计算量。目前，IBM研究人员已对Relay-BP进行了拓展，证明其在纯存储操作和测量操作中的错误率几乎保持一致。实际上，我们观察到的性能已经满足了Starling的要求。
为了在Starling上运行Relay-BP，IBM正在利用2纳米纳米片技术打造一款实时解码专用集成电路（ASIC）。这款定制芯片将带来更优的逻辑错误率，从而提升Starling的性能。
模块间连接
为了扩展到大量纠错量子比特的规模，Starling的处理模块需要通过被称为l-耦合器的长程连接方式相互连接。
IBM最近使用四个l-耦合器连接了两台Nighthawk处理器，相关内容在一篇论文中有所描述，实现了平均1%的错误率，最佳结果为0.7%。将多台Nighthawk处理器连接在一起，是迈向能够完成实用工作的更大规模系统的关键一步。这些成果得益于采用磁屏蔽、品质因数超过100万的高品质同轴电缆。相较于此前的演示，原始错误率提升了约2倍，但最关键的成果在于将l-耦合器连接到处理器上的可重复性。我们了解到，磁屏蔽固然重要，但通常所关注的热化和振动问题同样不容忽视。整个组装过程必须确保不会破坏精心设计的微波工程，从而使耦合强度和退相干速率保持一致。
Starling最终需要每个模块配备超过100个l-耦合器，且错误率要达到0.1%。这正是提升可靠性和可重复性这一进展之所以重要的原因。
模块化低温系统与布线
为了实现Starling所需的规模，用于容纳量子处理器的低温环境必须能够无缝连接各个处理模块。今年，IBM针对这一挑战推出了模块化低温系统设计，这将成为其未来量子系统的核心支撑。
这些模块化低温恒温器采用矩形设计——有别于此前使用的圆柱形低温恒温器——以便于与相邻单元连接。我们格外注重确保制冷引擎（低温恒温器内芯）与真空外壳相互独立，同时真空外壳也与屏蔽层和布线相互独立。这使得多个单元能够更可靠地组装在一起。此外，该设计还包括供l-耦合器穿越低温空间、连接不同低温恒温器中处理器的专用通道。
这些系统中的处理器需要大量控制线来操控每个量子比特和耦合器。每个低温恒温器舱室设计可容纳长达0.96英里的走线长度。Nighthawk r2仅需使用0.86英里，而Nighthawk r3将使用约3.84英里的走线长度。若非经过从同轴线路到柔性线路的多次迭代，并在多种柔性设计方案中不断改进，这一庞大的走线工程规模将无法实现。
截至2026年11月，两台通过l-耦合器连接的Nighthawk r2设备正在这些低温恒温器中进行冷却测试。最新数据显示，l-耦合器的品质因数处于1百万至2百万的常规范围内。这标志着向Starling迈出了坚实的一步，而Starling将需要多达十二个低温模块连接在一起。
模块化控制电子设备
控制电子设备是运行量子系统的关键组成部分。通常，这些工作由室温计算机来处理，但将信号传入传出超低温环境会给系统增加大量笨重的布线，并引入可能扰乱量子比特状态的噪声。为了支持Starling所需的性能水平，需要开发能够实时运行且具有更优噪声性能的新型控制系统。
实现这一目标的方法之一，是找到一种能够在低温恒温器内部直接运行控制电子设备芯片的方式，从而消除额外的布线、热源和信号瓶颈。
IBM最近研制出了用于低温控制的新型专用集成电路（ASIC），其性能可与室温控制电子设备相媲美。此前我们已展示过利用ASIC控制实现Heron处理器上约一半双量子比特门操作的能力——单量子比特门操作当时仍由室温控制电子设备生成。借助最新版本的ASIC，我们持续优化了噪声特性，目前其门操作性能已达到甚至超越了纯室温控制方案的水平。这是重要的一步进展。
最终，Starling将需要构建一套基于多样化经典信息流的模块化实时控制系统，如下图所示。这一逻辑控制架构将Starling的模块化设计延伸至控制层，整合了中央处理器（CPU）、现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC）。实现这一目标的关键在于互连技术，这些技术需要能够扩展至大规模系统，同时不损害延迟等关键性能指标。今年，我们已通过小规模原型验证，证实多项基于标准的互连技术能够满足Starling控制系统的要求。
通往IBM Quantum Starling之路的展望
上述讨论的进展代表了迈向Starling的重大突破：
c-耦合器方案已得到验证。
所需的量子比特连接数量和约瑟夫森结数量已大幅减少。
IBM的解码算法已达到Starling所需的性能水平。
利用l-耦合器连接量子处理器的可重复性已得到提升。
新型模块化低温系统已推出并通过测试。
IBM用于低温控制的ASIC芯片性能已被证实可媲美室温电子设备。
虽然上述更新内容十分重要，但它们仅反映了通往Starling之路上部分关键成就。例如，我们在优化LPU以及降低魔态注入相关开销方面的工作仍在持续推进。Starling的主体架构并未发生变化。
Starling距离我们仍有数年时间，但IBM所选择的发展路径已经得到验证，并为后续进展指明了清晰的下一步方向。
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