量子計(jì)算： 處在商業(yè)應(yīng)用的臨界點(diǎn)

“目前提出的各項(xiàng)指標(biāo)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)往往更偏向于特定平臺(tái)，這使得量子計(jì)算機(jī)性能的比較，幾乎淪為一種營銷噱頭，而非科學(xué)的基準(zhǔn)測試。”

編譯 | 韓明、于海峰（北京量子信息科學(xué)研究院）

“如果量子計(jì)算能在10年、20年甚至更久后產(chǎn)出任何具有技術(shù)實(shí)用性的成果，我會(huì)感到驚訝。”2004年，常被視為量子計(jì)算理論之父的牛津大學(xué)物理學(xué)家David Deutsch曾這樣寫道。不過，他也補(bǔ)充了一個(gè)前提：“我以前也有過感到驚訝的經(jīng)歷。”

我們無從知曉，作為量子計(jì)算先驅(qū)的Deutsch，若參加了2025年2月在倫敦皇家學(xué)會(huì)舉辦的“量子信息的未來”會(huì)議，會(huì)感到多么驚訝。從這次會(huì)議我們很容易得出一個(gè)結(jié)論：量子計(jì)算現(xiàn)已真正“落地”——利用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算的可運(yùn)行機(jī)器，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)生產(chǎn)并交付給客戶。此次會(huì)議同時(shí)也是2025年國際量子科學(xué)與技術(shù)年 (IYQ) 在英國的啟動(dòng)活動(dòng)，領(lǐng)域內(nèi)多位關(guān)鍵人物齊聚一堂，用兩天時(shí)間將量子計(jì)算當(dāng)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(gè)完善的量子力學(xué)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(jìn)而解決計(jì)算領(lǐng)域的實(shí)際問題，想必也會(huì)感到驚訝。到目前為止，盡管量子計(jì)算利用疊加態(tài)、糾纏等現(xiàn)象有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超最先進(jìn)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，但尚未解決任何一件經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的實(shí)際問題。

盡管量子力學(xué)的基本原理已得到充分驗(yàn)證且切實(shí)可行，但量子信息技術(shù)要實(shí)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(rèn)為，“實(shí)用量子優(yōu)勢”的時(shí)刻已近在眼前，整個(gè)行業(yè)都在為這一時(shí)刻的到來做準(zhǔn)備。

糾纏的市場

那么，量子計(jì)算目前的性能和近期前景如何呢？首先要承認(rèn)的是，量子計(jì)算市場正蓬勃發(fā)展。相關(guān)設(shè)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(lǐng)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(bào)告》顯示，目前全球共有33個(gè)國家在量子技術(shù)領(lǐng)域開展政府計(jì)劃，其中超過20個(gè)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(yīng)鏈也在有機(jī)地發(fā)展壯大，其中既包括牛津儀器和量子機(jī)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(jì)算已然成為一個(gè)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(jì)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(zhǔn)確判斷。當(dāng)計(jì)算機(jī)巨頭英偉達(dá)的首席執(zhí)行官在2025年初宣布，“真正具有實(shí)用價(jià)值”的量子計(jì)算機(jī)仍需二十年才能問世時(shí)，此前曾大幅飆升的一些領(lǐng)先的量子計(jì)算公司的股價(jià)隨即驟然暴跌。此后，這些公司的股價(jià)雖有所回升，但這種劇烈波動(dòng)恰恰反映出，量子計(jì)算目前尚未證明其商業(yè)價(jià)值。

這一領(lǐng)域尚處于起步階段，企業(yè)需要合理管控預(yù)期、避免過度炒作，同時(shí)也要描繪出足夠樂觀的前景，以持續(xù)吸引投資。“確實(shí)有令人驚嘆的重大突破正在取得，”薩塞克斯大學(xué)物理學(xué)家Winfried Hensinger表示，“但我們必須摒棄那種實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)明天就能問世的期待。”

當(dāng)前的現(xiàn)狀通常被稱為“嘈雜中等規(guī)模量子” (NISQ) 時(shí)代。這是因?yàn)楫?dāng)今設(shè)備中的“嘈雜”量子比特極易出錯(cuò)，而目前尚無通用且簡單的糾錯(cuò)方法。因此，現(xiàn)有的量子計(jì)算機(jī)還無法執(zhí)行那些在傳統(tǒng)高性能計(jì)算 (HPC) 機(jī)器上無法完成的、具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的計(jì)算任務(wù)。這不僅僅是工程設(shè)計(jì)中有待改進(jìn)的問題；更根本的科學(xué)基礎(chǔ)研究也遠(yuǎn)未完成。

“我們正處在實(shí)現(xiàn)量子科學(xué)優(yōu)勢的臨界點(diǎn)——能夠比全球最頂尖的經(jīng)典方法更出色地解決某些科學(xué)難題，”布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)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(dá)到實(shí)用量子優(yōu)勢的階段，即量子計(jì)算機(jī)能夠解決具有商業(yè)價(jià)值且切實(shí)相關(guān)的難題，比如研發(fā)下一代鋰離子電池。”如今，問題已不再是能否實(shí)現(xiàn)或如何實(shí)現(xiàn)，而是何時(shí)實(shí)現(xiàn)的問題了。

選擇你的平臺(tái)

由于量子計(jì)算行業(yè)尚處于新興階段，如今的量子設(shè)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(tái)中是否會(huì)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(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)也有一個(gè)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(dāng)前的量子計(jì)算并不存在單一的平臺(tái)，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(jī)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(jì)算的拐點(diǎn)：誰在領(lǐng)先、他們擁有什么、以及為何知識(shí)產(chǎn)權(quán)將決定量子計(jì)算的未來》報(bào)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(shí)間、門操作速度，以及未來能否容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展等。

事實(shí)上，許多研究者認(rèn)為，未來永遠(yuǎn)不會(huì)有單一類型的量子比特占據(jù)主導(dǎo)。當(dāng)前性能領(lǐng)先的量子計(jì)算機(jī)，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(dǎo)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(tái)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(gè)離子，美國離子量子公司 (IonQ，脫胎于馬里蘭大學(xué)) 等企業(yè)正將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為可運(yùn)行的設(shè)備。

量子計(jì)算巨頭IBM表示，到2029年，其容錯(cuò)系統(tǒng)應(yīng)能在200個(gè)邏輯量子位上準(zhǔn)確運(yùn)行1億個(gè)門操作，從而真正實(shí)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(huì)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(xué)孵化的初創(chuàng)公司QuEra、法國初創(chuàng)公司Pasqal均在研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。2025年9月，美國加州理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)宣布研發(fā)出包含6100個(gè)中性原子的量子比特陣列。“如果十年前要我押注量子計(jì)算的未來，我絕不會(huì)把中性原子方法納入考慮，”David Deutsch在牛津大學(xué)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(rèn)為，以光子為量子比特的光學(xué)量子計(jì)算也將成為重要平臺(tái)。該技術(shù)的一大優(yōu)勢在于，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中往返于處理單元的光子信號(hào)無需復(fù)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(yùn)行，而被困離子與超導(dǎo)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(xué)量子計(jì)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(diǎn)和精準(zhǔn)放置的磷原子為基礎(chǔ)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。“基于離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(xué)教授、Silicon Quantum Computing創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ichelle 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。”

此外，全新的量子計(jì)算平臺(tái)仍有可能出現(xiàn)。2025年初，微軟位于美國華盛頓州的實(shí)驗(yàn)室研究者宣稱，他們已利用半導(dǎo)體與超導(dǎo)器件制備出拓?fù)淞孔颖忍亍@類量子比特的出錯(cuò)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(xué)家的不滿，因?yàn)槠湮锤綆性u(píng)審論文來佐證這一長期以來備受關(guān)注的技術(shù)成果。但無論如何，多數(shù)研究者認(rèn)為，拓?fù)淞孔佑?jì)算要追上現(xiàn)有平臺(tái)的發(fā)展水平，仍需十年或更久時(shí)間。

措施和指標(biāo)

鑒于不同硬件平臺(tái)的這些優(yōu)缺點(diǎn)，評(píng)估其優(yōu)劣的一大難點(diǎn)在于如何找到有意義的指標(biāo)來進(jìn)行比較。我們究竟應(yīng)該比較錯(cuò)誤率、相干時(shí)間 (即量子比特保持糾纏狀態(tài)的時(shí)長)、門操作速度 (單個(gè)計(jì)算步驟能夠完成的速度)、電路深度 (單次計(jì)算能夠持續(xù)進(jìn)行的步驟數(shù)量)、處理器中的量子比特?cái)?shù)量，還是其他什么指標(biāo)呢？英國國家量子計(jì)算中心 (NQCC) 的創(chuàng)始主任Michael Cuthbert指出：“目前提出的各項(xiàng)指標(biāo)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)往往更偏向于特定平臺(tái)，這使得量子計(jì)算機(jī)性能的比較，幾乎淪為一種營銷噱頭，而非科學(xué)的基準(zhǔn)測試。”

NQCC采用一種名為“量子操作” (QuOp) 的指標(biāo)來評(píng)估設(shè)備的性能。簡單來說，它指的是在量子比特失去相干性、計(jì)算陷入噪聲之前，單次計(jì)算中能夠執(zhí)行的量子操作次數(shù)。“如果你想進(jìn)行一次計(jì)算，能夠連續(xù)執(zhí)行的相干操作次數(shù)就是一個(gè)客觀衡量標(biāo)準(zhǔn)，”Cuthbert表示。如果想超越當(dāng)前的NISQ時(shí)代，他補(bǔ)充道，“我們需要邁向這樣一個(gè)階段：在一次計(jì)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算之前，還有很長的路要走。”

一個(gè)重要的問題在于，這些平臺(tái)在構(gòu)建更大規(guī)模的量子電路方面有多大的適應(yīng)性。Cuthbert將擴(kuò)大規(guī)模——即在芯片上集成更多量子比特——與“橫向擴(kuò)展”進(jìn)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(rèn)為，單個(gè)量子芯片不太可能像當(dāng)今硅基計(jì)算機(jī)芯片那樣擁有數(shù)百萬個(gè)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(jì)劃將重心轉(zhuǎn)向模塊化架構(gòu) (橫向擴(kuò)展)——這一點(diǎn)無論如何都勢在必行，因?yàn)槌瑢?dǎo)量子比特的尺寸僅為微米級(jí) (譯者注：另需考慮其他量子電路的面積，平均每個(gè)比特的面積在十平方毫米量級(jí))，因此搭載數(shù)百萬個(gè)量子比特的芯片“將比你的餐桌還要大”，Cuthbert表示。然而，超導(dǎo)量子比特并不容易實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)展，這是因?yàn)榭刂坪妥x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(jìn)行通信。相比之下，冷原子則更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展，因?yàn)槠淞孔颖忍乇旧眢w積小巧；而光子量子計(jì)算則最易于橫向擴(kuò)展，因?yàn)樗缫咽褂猛环N語言 (光頻段) 進(jìn)行交流。

要構(gòu)建所謂的“容錯(cuò)”量子計(jì)算機(jī)，量子平臺(tái)必須解決糾錯(cuò)問題，這將使計(jì)算規(guī)模得以大幅擴(kuò)展，而不會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果退化為單純的噪聲。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中國物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)”，編譯自Philip Ball. Physics World，2025，(11)：35)，選自《物理》2025年第12期。

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