北京量子信息科學研究院 韓明、于海峰 編譯自Philip Ball.

Physics World

本文選自《物理》2025年第12期

“如果量子計算能在10年、20年甚至更久后產(chǎn)出任何具有技術(shù)實用性的成果，我會感到驚訝?！?004年，常被視為量子計算理論之父的牛津大學物理學家David Deutsch曾這樣寫道。不過，他也補充了一個前提：“我以前也有過感到驚訝的經(jīng)歷?！?/p>

我們無從知曉，作為量子計算先驅(qū)的Deutsch，若參加了2025年2月在倫敦皇家學會舉辦的“量子信息的未來”會議，會感到多么驚訝。從這次會議我們很容易得出一個結(jié)論：量子計算現(xiàn)已真正“落地”——利用量子力學原理進行計算的可運行機器，已實現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)并交付給客戶。此次會議同時也是2025年國際量子科學與技術(shù)年(IYQ)在英國的啟動活動，領域內(nèi)多位關鍵人物齊聚一堂，用兩天時間將量子計算當作一門(雖處于早期階段但已初具規(guī)模的)成熟產(chǎn)業(yè)來探討。

100年前，海森伯提出了首個完善的量子力學理論。若他得知，自己與同行們?yōu)槔斫馕⑿×Ｗ踊拘袨槎⒌睦碚擉w系，如今已催生出操控信息的新方法，進而解決計算領域的實際問題，想必也會感到驚訝。到目前為止，盡管量子計算利用疊加態(tài)、糾纏等現(xiàn)象有望實現(xiàn)遠超最先進經(jīng)典計算機的計算能力，但尚未解決任何一件經(jīng)典計算機無法處理的實際問題。

盡管量子力學的基本原理已得到充分驗證且切實可行，但量子信息技術(shù)要實現(xiàn)常規(guī)交付具備變革性能力的資源，仍需克服諸多障礙。不過，許多研究者認為，“實用量子優(yōu)勢”的時刻已近在眼前，整個行業(yè)都在為這一時刻的到來做準備。

糾纏的市場

那么，量子計算目前的性能和近期前景如何呢？首先要承認的是，量子計算市場正蓬勃發(fā)展。相關設備正在由多家科技公司為商業(yè)用途而打造，其中包括IBM、谷歌、總部位于加拿大的D-Wave以及已深耕該領域十年或以上的Rigetti；還有相對新晉的公司，如加拿大Nord Quantique、芬蘭IQM、英美合資的Quantinuum、英國Orca以及美國PsiQuantum、澳大利亞Silicon Quantum Computing。根據(jù)《2024年量子發(fā)展報告》顯示，目前全球共有33個國家在量子技術(shù)領域開展政府計劃，其中超過20個國家制定了包含大規(guī)模資金投入的國家戰(zhàn)略。

一條供應鏈也在有機地發(fā)展壯大，其中既包括牛津儀器和量子機器等特定硬件組件的制造商，也包括位于英國劍橋的Riverlane以及位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的QCWare等軟件開發(fā)商。為這條鏈條最后一環(huán)提供支持的，是一眾熱情高漲的終端用戶，從摩根大通、高盛等金融公司，到阿斯利康等制藥企業(yè)，再到空中客車這樣的工程公司。量子計算已然成為一個規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)，目前全球活躍企業(yè)約有400家，投資額估計約為20億美元。

然而，對于眼下這一熱潮的未來走向，卻很難做出準確判斷。當計算機巨頭英偉達的首席執(zhí)行官在2025年初宣布，“真正具有實用價值”的量子計算機仍需二十年才能問世時，此前曾大幅飆升的一些領先的量子計算公司的股價隨即驟然暴跌。此后，這些公司的股價雖有所回升，但這種劇烈波動恰恰反映出，量子計算目前尚未證明其商業(yè)價值。

這一領域尚處于起步階段，企業(yè)需要合理管控預期、避免過度炒作，同時也要描繪出足夠樂觀的前景，以持續(xù)吸引投資?！按_實有令人驚嘆的重大突破正在取得，”薩塞克斯大學物理學家Winfried Hensinger表示，“但我們必須摒棄那種實用化的量子計算機明天就能問世的期待?！?/p>

當前的現(xiàn)狀通常被稱為“嘈雜中等規(guī)模量子”(NISQ)時代。這是因為當今設備中的“嘈雜”量子比特極易出錯，而目前尚無通用且簡單的糾錯方法。因此，現(xiàn)有的量子計算機還無法執(zhí)行那些在傳統(tǒng)高性能計算(HPC)機器上無法完成的、具有實際應用價值的計算任務。這不僅僅是工程設計中有待改進的問題；更根本的科學基礎研究也遠未完成。

“我們正處在實現(xiàn)量子科學優(yōu)勢的臨界點——能夠比全球最頂尖的經(jīng)典方法更出色地解決某些科學難題，”布里斯托爾大學物理學家、量子軟件公司Phasecraft聯(lián)合創(chuàng)始人Ashley Montanaro表示，“不過，我們目前尚未達到實用量子優(yōu)勢的階段，即量子計算機能夠解決具有商業(yè)價值且切實相關的難題，比如研發(fā)下一代鋰離子電池?！比缃?，問題已不再是能否實現(xiàn)或如何實現(xiàn)，而是何時實現(xiàn)的問題了。

選擇你的平臺

由于量子計算行業(yè)尚處于新興階段，如今的量子設備采用的量子比特物理系統(tǒng)差異極大，詳見Box“量子模式的比較：從量子比特到架構(gòu)”。目前尚無明確跡象表明，這些平臺中是否會有某一種最終成為主流。

量子模式的比較：從量子比特到架構(gòu)

就像經(jīng)典計算機一樣，量子計算機也有一個核心處理器和一套控制堆棧，而不同之處在于，其核心取決于所使用的量子比特類型。當前的量子計算并不存在單一的平臺，而是由一系列彼此競爭的硬件路線組成。每一種都基于不同的物理機制來創(chuàng)建和操控量子比特，并努力保持其量子態(tài)的穩(wěn)定性。

以上數(shù)據(jù)(來自美國公司PatentVest于2025年8月發(fā)布的《量子計算的拐點：誰在領先、他們擁有什么、以及為何知識產(chǎn)權(quán)將決定量子計算的未來》報告)展示了主要的“量子模態(tài)”。所謂量子模態(tài)，指的是構(gòu)建量子系統(tǒng)的不同量子比特類型和體系結(jié)構(gòu)。不同類型的量子比特各有優(yōu)劣，其差異體現(xiàn)在諸多方面，包括工作溫度、相干時間、門操作速度，以及未來能否容易實現(xiàn)大規(guī)模擴展等。

事實上，許多研究者認為，未來永遠不會有單一類型的量子比特占據(jù)主導。當前性能領先的量子計算機，如谷歌的105量子比特“柳樹”(Willow)芯片、IBM的121量子比特“禿鷲”(Condor)芯片，均采用超導材料波函數(shù)編碼信息的量子比特。直到最近，最有力的競爭平臺似乎還是“囚禁離子”技術(shù)——量子比特是被電磁陷阱捕獲的單個離子，美國離子量子公司(IonQ，脫胎于馬里蘭大學)等企業(yè)正將這項技術(shù)轉(zhuǎn)化為可運行的設備。

量子計算巨頭IBM表示，到2029年，其容錯系統(tǒng)應能在200個邏輯量子位上準確運行1億個門操作，從而真正實現(xiàn)量子優(yōu)勢

但在過去幾年里，“中性原子”已崛起為重要競爭者，這得益于對這類量子比特位置和狀態(tài)控制技術(shù)的突破。在該技術(shù)中，原子會被制備成一種名為“里德伯原子”的高激發(fā)電子態(tài)，它們能在幾微米的距離內(nèi)相互糾纏。美國哈佛大學孵化的初創(chuàng)公司QuEra、法國初創(chuàng)公司Pasqal均在研發(fā)這項技術(shù)。2025年9月，美國加州理工學院的一個團隊宣布研發(fā)出包含6100個中性原子的量子比特陣列。“如果十年前要我押注量子計算的未來，我絕不會把中性原子方法納入考慮，”David Deutsch在牛津大學的同事、量子信息理論家Andrew Steane表示。但與許多人一樣，他如今的看法已發(fā)生改變。

部分研究者認為，以光子為量子比特的光學量子計算也將成為重要平臺。該技術(shù)的一大優(yōu)勢在于，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡中往返于處理單元的光子信號無需復雜轉(zhuǎn)換——這對芯片間的光子互聯(lián)同樣便利。此外，光子電路可在室溫下運行，而被困離子與超導量子比特則需冷卻處理。PsiQuantum、Orca、Xanadu等企業(yè)正致力于研發(fā)光學量子計算技術(shù)。

另有一些研發(fā)方向，例如Intel與澳大利亞Silicon Quantum Computing的研究，分別以量子點和精準放置的磷原子為基礎在傳統(tǒng)硅材料中制備量子比特——這種方案可以受益于高度成熟的制造體系?！盎陔x子與原子的小型量子比特可打造出最高質(zhì)量的處理器，”新南威爾士大學教授、Silicon Quantum Computing創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Michelle Simmons表示，“但唯有硅基原子體系能夠?qū)⑦@種高質(zhì)量與可制造性結(jié)合起來?！?/p>

此外，全新的量子計算平臺仍有可能出現(xiàn)。2025年初，微軟位于美國華盛頓州的實驗室研究者宣稱，他們已利用半導體與超導器件制備出拓撲量子比特——這類量子比特的出錯率低于目前已投入使用的其他類型。該聲明引起了部分科學家的不滿，因為其未附帶同行評審論文來佐證這一長期以來備受關注的技術(shù)成果。但無論如何，多數(shù)研究者認為，拓撲量子計算要追上現(xiàn)有平臺的發(fā)展水平，仍需十年或更久時間。

措施和指標

鑒于不同硬件平臺的這些優(yōu)缺點，評估其優(yōu)劣的一大難點在于如何找到有意義的指標來進行比較。我們究竟應該比較錯誤率、相干時間(即量子比特保持糾纏狀態(tài)的時長)、門操作速度(單個計算步驟能夠完成的速度)、電路深度(單次計算能夠持續(xù)進行的步驟數(shù)量)、處理器中的量子比特數(shù)量，還是其他什么指標呢？英國國家量子計算中心(NQCC)的創(chuàng)始主任Michael Cuthbert指出：“目前提出的各項指標和評估標準往往更偏向于特定平臺，這使得量子計算機性能的比較，幾乎淪為一種營銷噱頭，而非科學的基準測試。”

NQCC采用一種名為“量子操作”(QuOp)的指標來評估設備的性能。簡單來說，它指的是在量子比特失去相干性、計算陷入噪聲之前，單次計算中能夠執(zhí)行的量子操作次數(shù)?！叭绻阆脒M行一次計算，能夠連續(xù)執(zhí)行的相干操作次數(shù)就是一個客觀衡量標準，”Cuthbert表示。如果想超越當前的NISQ時代，他補充道，“我們需要邁向這樣一個階段：在一次計算中能夠完成大約一百萬次相干操作。而目前我們還處于僅能完成幾千次相干操作的水平。因此，在實現(xiàn)大規(guī)模計算之前，還有很長的路要走。”

一個重要的問題在于，這些平臺在構(gòu)建更大規(guī)模的量子電路方面有多大的適應性。Cuthbert將擴大規(guī)?！丛谛酒霞筛嗔孔颖忍亍c“橫向擴展”進行了對比，在后者中，尺寸相同的芯片以模塊化方式相互連接。許多研究人員認為，單個量子芯片不太可能像當今硅基計算機芯片那樣擁有數(shù)百萬個量子比特。相反，它們更可能是由相對較小的芯片組成的模塊化陣列，這些芯片通過量子互連技術(shù)在其邊緣彼此連接。

在成功研制出“禿鷲”芯片之后，IBM如今計劃將重心轉(zhuǎn)向模塊化架構(gòu)(橫向擴展)——這一點無論如何都勢在必行，因為超導量子比特的尺寸僅為微米級(譯者注：另需考慮其他量子電路的面積，平均每個比特的面積在十平方毫米量級)，因此搭載數(shù)百萬個量子比特的芯片“將比你的餐桌還要大”，Cuthbert表示。然而，超導量子比特并不容易實現(xiàn)橫向擴展，這是因為控制和讀取量子比特所用的微波頻率必須轉(zhuǎn)換為光頻，才能通過光子互連進行通信。相比之下，冷原子則更容易實現(xiàn)規(guī)模擴展，因為其量子比特本身體積小巧；而光子量子計算則最易于橫向擴展，因為它早已使用同一種語言(光頻段)進行交流。

要構(gòu)建所謂的“容錯”量子計算機，量子平臺必須解決糾錯問題，這將使計算規(guī)模得以大幅擴展，而不會導致計算結(jié)果退化為單純的噪聲。

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