量子計算： 處在商業應用的臨界點

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年甚至更久后產出任何具有技術實用性的成果，我會感到驚訝。”2004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歷。”

我們無從知曉，作為量子計算先驅的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論：量子計算現已真正“落地”——利用量子力學原理進行計算的可運行機器，已實現商業生產并交付給客戶。此次會議同時也是2025年國際量子科學與技術年(IYQ)在英國的啟動活動，領域內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模的)成熟產業來探討。

100年前，海森伯提出了首個完善的量子力學理論。若他得知，自己與同行們為理解微小粒子基本行為而建立的理論體系，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、糾纏等現象有望實現遠超最先進經典計算機的計算能力，但尚未解決任何一件經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，但量子信息技術要實現常規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，“實用量子優勢”的時刻已近在眼前，整個行業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展。相關設備正在由多家科技公司為商業用途而打造，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《2024年量子發展報告》顯示，目前全球共有33個國家在量子技術領域開展政府計劃，其中超過20個國家制定了包含大規模資金投入的國家戰略。

一條供應鏈也在有機地發展壯大，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等軟件開發商。為這條鏈條最后一環提供支持的，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，再到空中客車這樣的工程公司。量子計算已然成為一個規模龐大的產業，目前全球活躍企業約有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價值。

這一領域尚處于起步階段，企業需要合理管控預期、避免過度炒作，同時也要描繪出足夠樂觀的前景，以持續吸引投資。“確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。”

當前的現狀通常被稱為“嘈雜中等規模量子”(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，現有的量子計算機還無法執行那些在傳統高性能計算(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。

“我們正處在實現量子科學優勢的臨界點——能夠比全球最頂尖的經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聯合創始人Ashley Montanaro表示，“不過，我們目前尚未達到實用量子優勢的階段，即量子計算機能夠解決具有商業價值且切實相關的難題，比如研發下一代鋰離子電池。”如今，問題已不再是能否實現或如何實現，而是何時實現的問題了。

選擇你的平臺

由于量子計算行業尚處于新興階段，如今的量子設備采用的量子比特物理系統差異極大，詳見Box“量子模式的比較：從量子比特到架構”。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

就像經典計算機一樣，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建和操控量子比特，并努力保持其量子態的穩定性。

以上數據(來自美國公司PatentVest于2025年8月發布的《量子計算的拐點：誰在領先、他們擁有什么、以及為何知識產權將決定量子計算的未來》報告)展示了主要的“量子模態”。所謂量子模態，指的是構建量子系統的不同量子比特類型和體系結構。不同類型的量子比特各有優劣，其差異體現在諸多方面，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大規模擴展等。

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——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)等企業正將這項技術轉化為可運行的設備。

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，從而真正實現量子優勢

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控制技術的突破。在該技術中，原子會被制備成一種名為“里德伯原子”的高激發電子態，它們能在幾微米的距離內相互糾纏。美國哈佛大學孵化的初創公司QuEra、法國初創公司Pasqal均在研發這項技術。2025年9月，美國加州理工學院的一個團隊宣布研發出包含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。該技術的一大優勢在于，現有通信網絡中往返于處理單元的光子信號無需復雜轉換——這對芯片間的光子互聯同樣便利。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等企業正致力于研發光學量子計算技術。

另有一些研發方向，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。“基于離子與原子的小型量子比特可打造出最高質量的處理器，”新南威爾士大學教授、Silicon Quantum Computing創始人兼首席執行官Michelle Simmons表示，“但唯有硅基原子體系能夠將這種高質量與可制造性結合起來。”

此外，全新的量子計算平臺仍有可能出現。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成果。但無論如何，多數研究者認為，拓撲量子計算要追上現有平臺的發展水平，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缺點，評估其優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(單次計算能夠持續進行的步驟數量)、處理器中的量子比特數量，還是其他什么指標呢？英國國家量子計算中心(NQCC)的創始主任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，單次計算中能夠執行的量子操作次數。“如果你想進行一次計算，能夠連續執行的相干操作次數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，在實現大規模計算之前，還有很長的路要走。”

一個重要的問題在于，這些平臺在構建更大規模的量子電路方面有多大的適應性。Cuthbert將擴大規模——即在芯片上集成更多量子比特——與“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如今計劃將重心轉向模塊化架構(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規模擴展，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，這將使計算規模得以大幅擴展，而不會導致計算結果退化為單純的噪聲。

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