量子计算机终将走向实用：这场革命背后的真相

一系列令人意外的进展表明，实用型量子计算机有望在十年内问世。

牛津离子公司（Oxford Ionics）的量子计算机芯片，该公司是在这一技术领域取得重大进展的多家企业之一。

就在几年前，许多量子计算领域的研究者还认为，要开发出能解决复杂任务（如预测化学反应、破解加密文本）的机器，需要数十年时间。但如今，越来越多人相信，这类机器有望在未来十年内出现。

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新泽西州普林斯顿大学的实验量子物理学家娜塔莉·德莱昂（Nathalie de Leon）用“氛围转变”来形容这种变化。“人们现在开始转变观念了。”

该领域的进展速度在多个方面显著加快，尤其是在过去两年左右。学术实验室团队，以及从初创小公司到大型科技企业的各类机构，都通过改进量子器件的制造工艺和控制技术，大幅降低了量子器件极易产生的错误率。与此同时，理论学家也更清楚如何更高效地利用量子器件。

“到目前为止，我更确定量子计算终将实现，而且时间线比人们预想的要短得多，”耶路撒冷希伯来大学的计算机科学家多丽特·阿哈罗诺夫（Dorit Aharonov）说，“我们已经进入了一个新时代。”

易出错的本质

最新进展令物理学家振奋，因为它们解决了阻碍实用型量子计算机发展的一些主要瓶颈。这类器件通过量子比特（qubit）编码信息——量子比特不像经典计算机的比特那样只能取0或1，还能处于两者之间的连续状态。典型例子是电子的量子自旋，它相当于量子版的磁针，可在空间中指向任意方向。

中国科学技术大学的陆朝阳（Chao-Yang Lu）是预计2035年左右实现容错量子计算的研究者之一。

典型量子计算的核心是一系列量子门（gate），即操控量子比特状态的操作。量子门可作用于单个量子比特（如将自旋旋转一定角度），也可作用于多个量子比特。关键在于，一个量子门可让多个量子比特处于集体纠缠（强关联）状态，从而指数级提升其处理的信息量。计算最终以测量结束：从量子比特中提取信息，破坏量子门产生的复杂量子态，并以一串普通数字比特的形式返回结果。

几十年来，研究者对这种计算范式的可行性一直存疑，主要原因有二：一是实际中量子态会自然、随机地漂移，一段时间后存储的信息必然丢失；二是量子门和测量本身也会引入误差——即使用电磁脉冲旋转自旋这类简单操作，也无法完全精准执行。

但阿哈罗诺夫等人表示，过去一年左右，已有四个团队证明这些问题最终可解。这些团队分别来自：加州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能实验室、科罗拉多州布鲁姆菲尔德的Quantinuum公司、马萨诸塞州波士顿地区的哈佛大学与初创公司QuEra。就在去年12月，合肥中国科学技术大学（USTC）的第四个团队也加入了这一“专属俱乐部”。

这四个团队实现并改进了一种名为“量子纠错”的技术：将单个量子信息单元（即“逻辑量子比特”）分布在多个“物理量子比特”上。

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谷歌和中科大团队的工作中，量子信息被编码在超导材料环路中循环电子的集体状态里，环路温度维持在略高于绝对零度，以防止信息退化。Quantinuum则利用电磁阱中单个离子的电子磁取向作为量子比特；QuEra的量子比特由被“光镊”（激光束）束缚的单个中性原子的取向表示。通过在计算中途测量特定物理量子比特，机器可检测逻辑量子比特中的信息是否退化，进而实施纠错。

与任何量子比特操作一样，纠错本身也会引入误差。上世纪90年代，阿哈罗诺夫等人从数学上证明：若反复应用纠错过程，可将误差降至任意低。但这一结论有个前提：纠错的每一步都必须将误差降至某个阈值以下。

如今，这四个团队已证明其计算能满足这一要求。对许多物理学家而言，这一里程碑时刻表明，大规模“容错”量子计算是可行的。

精度节节攀升

即便有效，量子纠错也并非万能药。长期以来，科学家估计，用它运行完全容错的量子算法，开销比约为1000:1——即每个逻辑量子比特至少需要1000个物理量子比特。目前已建成的最大量子计算机仅有几千个量子比特，但早期估算显示，要完成质因数分解等任务，可能需要数十亿个。

普林斯顿大学的安德鲁·霍克（Andrew Houck，图中）、娜塔莉·德莱昂及其同事开发了一项可提升量子计算精度的技术。

质因数分解长期以来都是一项基准任务，因为能将大数分解为质数的量子计算机，将强大到足以解决此前难以攻克的问题，如预测新型“神奇材料”的特性、让股票交易效率大幅提升。

助力实现这些目标的一个因素是，以更巧妙的方式实现算法，减少量子比特和量子门的使用。这使得分解大数（可破解一种常见互联网加密系统）所需的物理量子比特数量，每五年大致减少一个数量级。去年，谷歌研究员克雷格·吉德尼（Craig Gidney）证明，他可将所需量子比特从2000万降至100万，部分原因是将抽象的量子门图排列成复杂的三维模式。（“我确实用到了很多几何直觉。”他说。）吉德尼表示，他的实现方式可能已接近标准量子纠错技术的最佳性能，但更好的技术有望进一步降低开销。

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“现在的核心问题是如何让量子纠错更高效，”德莱昂说——而可行的路径不止一条。理论学家可开发更高效编码逻辑量子比特信息的纠错技术，从而减少物理量子比特的需求；提升量子门操作的“保真度”（精度）和物理量子比特的质量，也意味着所需的纠错步骤更少，进而降低物理量子比特的数量。柏林自由大学的物理学家延斯·艾泽特（Jens Eisert）表示，如果未来几年物理量子比特的开销没有进一步下降，他“会感到意外”。

“我认为，从数学角度看，量子纠错理论正变得更丰富、更有趣，相关论文呈爆发式增长，”荷兰代尔夫特理工大学（由荷兰政府支持的量子技术研究所QuTech所在地）的理论物理学家芭芭拉·特哈尔（Barbara Terhal）说。但她提醒，复杂的纠错码可能存在缺陷，因为会让量子门的执行更复杂。

IBM完善的一项技术，有望用行业标准方法十分之一的物理量子比特数量编码逻辑量子比特，即开销比约为100:1。QuEra正试验利用其“中性原子”量子比特的一大优势：可灵活移动，按需与其他原子纠缠。QuEra创始人、哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）表示，其纠错方法原则上也可将开销降至100:1。要实现这一目标，他认为目前约99.5%的双量子比特门保真度需提升至约99.9%，他称这是可行的。“我们正稳步迈向‘三个九’。”他用行业术语说。

与此同时，德莱昂专注于用计量学（精密测量科学）的先进技术研究量子比特的弱点。历史上，超导量子比特的一大缺陷是寿命短，即便算法操控同一芯片上物理距离较远的量子比特，存储的信息也会退化。“量子比特在等待执行量子门时会慢慢失效。”德莱昂说。她与合作者对超导量子比特进行了超精密测量，分离出限制其寿命的电磁噪声源。随后，他们尝试将超导环路材料从铝换成钽，支撑材料从蓝宝石换成绝缘硅。这些改变共同将量子比特寿命从0.1毫秒提升至1.68毫秒，作者在去年11月的《自然》论文中描述了这一结果。她表示仍有进一步提升空间。“有一些明显的改进方向，我相信能达到10或15毫秒。”德莱昂说，但她也提醒，消除一个噪声源后，往往会出现另一个意想不到的噪声源。

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其他团队也在追求几年前听起来像科幻小说的保真度。2025年6月，研究者描述了精度达99.999985%的单量子比特门操作，接近七个九，比此前纪录提升一个数量级。这是迄今最精准的单量子比特门，且无需修改底层硬件。英国牛津大学的物理学家莫莉·史密斯（Molly Smith）主持了该实验，她说，最初对微波和激光脉冲的微调产生了意外效果。“我们当时想‘哇，看看能把精度推到多高’。”她回忆道。

涉及两个或更多量子比特的量子门，误差率通常高于单量子比特门。量子计算初创公司牛津离子（去年与马里兰州大学公园市的IonQ合并）表示，其双量子比特操作的保真度已达四个九（99.99%），同样以离子为量子比特。不甘示弱的以色列宾亚米纳初创公司量子晶体管（Quantum Transistors）去年12月宣布，其双量子比特操作的保真度达99.9988%，接近五个九。其量子比特由含人工杂质的金刚石晶体中单个电子的状态表示。

科罗拉多州布鲁姆菲尔德Quantinuum公司的物理学家克里斯·兰格（Chris Langer）表示，这类创纪录的结果虽令人印象深刻，但属于物理学家所说的“英雄式实验”——旨在优化单个组件上的某类操作。要在完全运行的设备中实现同等质量、可重复的性能，可能需要两年甚至更久。但IonQ旗下牛津离子实验室的物理学家克里斯·鲍兰斯（Chris Ballance）表示，该团队很快将在完全运行的设备中实现同等性能。

 量子时代将至？

企业长期以来对尽快实现大规模容错量子计算持乐观态度。“我们一直说，将在本十年末实现终端应用，这一点基本没变。”谷歌量子计算部门主管哈特穆特·内文（Hartmut Neven）说。

许多研究者表示，新的变化是，这些说法如今看起来更可行，而非曾经的炒作——即便有人质疑其宣称的时间线。

IonQ更为乐观，称其机器有望在2020年代末破解质因数分解问题。“解决相同应用，我们所需的量子比特数量比竞争对手少10到1000倍。”鲍兰斯声称。（批评者称，该公司尚未展示具备这些特性的完全运行的量子计算机。）对于超导量子比特，德莱昂表示，量子比特寿命的进一步提升将发挥重要作用。“我猜测，如果寿命达到10毫秒，开销可能会降低2到3倍。”她说，结合其他改进，或许能用3万至5万个量子比特分解大整数。

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这些数字正接近企业希望在单个超低温制冷机中容纳的规模——从而避开将多台制冷机连接以构建容错量子计算机的棘手问题。内文表示，以现有技术，谷歌最大的制冷机应可容纳1万个量子比特。此前，一大障碍是每个量子比特都需引出导线，连接到制冷机外室温的电子设备。但下一代可在超低温下工作的电子设备，原则上可置于设备最冷区域，并集成到量子芯片中。内文说，若这一方案可行，单台机器容纳数十万量子比特将成为可能。

也有人试图降温预期。前谷歌首席研究员、2025年诺贝尔奖得主、加州圣巴巴拉的物理学家约翰·马丁尼斯（John Martini）表示，企业往往宣传其机器的优势，但打造实用设备将面临系统工程的核心挑战：各部分如何协同工作。毕竟，链条的强度取决于最薄弱的一环。马丁尼斯正尝试以整体方法重新设计超导量子比特。“我们正以全新方式制造器件。”他联合创立的初创公司Qolab，正与加州圣克拉拉的半导体公司应用材料公司合作，采用现代计算机芯片的制造技术。他的目标是制造300毫米宽的巨型芯片，可容纳2万个或更多超导量子比特，并能放入标准低温制冷机。

实现容错并非易事，许多研究者仍认为，所需时间将领先于企业的预测。“还有很多关键问题尚未解决。”艾泽特说，他与加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）在最近的一篇综述文章中描述了其中几个剩余瓶颈。尽管如此，他和其他人已修正了自己的预测。

中国科学技术大学的量子计算研究者陆朝阳表示，他目前最乐观的估计是，完全容错将在2035年左右实现。

这种对未来十年内取得进展的期望，在几年前还很容易被否定，如今正成为常态。