即將邁入新階段的量子計算：糾錯、算法與用戶生態構建

北京量子信息科學研究院 于海峰 編譯自 Philip Ball.

Physics World

本文選自《物理》2026年第1期

PREFACE

在這篇兩部分系列文章的第二部分中，Philip Ball 探討了構建真正實用的量子計算機所面臨的糾錯挑戰、算法需具備的平臺無關性，以及早期用戶將如何應用。

（接上篇：）

在構建全功能“容錯”量子計算機領域，全球企業與政府實驗室正爭相率先實現突破。然而，一臺具備實際應用價值、能夠運行復雜算法的通用量子計算機，必須使數百萬個相干量子比特實現糾纏——而這類量子比特極易受擾。受溫度、硬件中其他電子系統的串擾、測量誤差等環境因素影響，當前的量子器件可能在遠未達成該目標前，便會在錯誤雪崩的沖擊下失效。

因此，糾錯問題是該領域未來的核心議題。這一問題的產生，源于量子比特的誤差無法像經典計算機那樣僅通過保留多個副本來糾正：量子規則禁止在量子比特狀態仍與其他量子比特糾纏、且自身狀態尚未明確的情況下對其進行復制。因此，要運行包含數百萬個邏輯門的量子電路，我們需要新的技術方法來實現量子糾錯(QEC)。

受保護的量子態

量子糾錯的核心原理是將信息分散到多個量子比特上，這樣單個量子比特出現的誤差就不會造成太大影響。“量子糾錯的本質思想是，若想保護一個量子系統免受損壞，就應當將其編碼在高度糾纏的量子態中，”加州理工學院量子信息與物質研究所所長John Preskill表示。

然而，實現這種信息分散的方式并非唯一。不同的糾錯碼取決于量子比特之間的連接性——例如，量子比特僅與相鄰的量子比特耦合，還是與設備中所有其他量子比特耦合——而這通常由所使用的物理平臺決定。但無論采用何種糾錯方式，都必須快速執行。“糾錯機制的運行速度需要與邏輯門操作的速度相匹配，”英國國家量子計算中心(NQCC)創始人兼主任Michael Cuthbert表示，“如果一個邏輯門操作僅需1納秒，而后續邏輯門操作的糾錯卻要花費100微秒，那么這樣的糾錯是毫無意義的。”

目前，處理誤差的方式主要是補償而非糾正：例如，通過使用能夠剔除部分可能不可靠結果的算法(一種稱為“后選擇”的方法)來事后修補誤差問題。此外，關鍵還在于從源頭制造出性能更優、誤差率更低的量子比特。

量子糾錯公司Riverlane的商業副總裁Maria Maragkou表示，全面量子糾錯的目標對量子計算機的設計產生了深遠影響，從硬件到工作流程規劃都需適配。“為支持糾錯而進行的變革，對量子處理器本身的制造方式、控制與操作方式都產生了深遠影響，這需要通過強大的軟件棧來實現，而應用程序將運行在該軟件棧之上，”她解釋道。這里的“軟件棧”涵蓋了從編程語言到用戶界面再到服務器的所有內容。

圖1　從多到少：量子比特非常脆弱，其量子態極易受到局部環境的影響，并且很容易通過退相干過程丟失。因此，當前量子計算機的誤差率非常高——大約每幾百次操作就會出現一次誤差。要使量子計算機真正實用，誤差率必須降低到百萬分之一的水平，尤其是對于更大型、更復雜的算法，誤差率需要達到十億分之一甚至萬億分之一。這就需要實時的量子糾錯。為了保護存儲在量子比特中的信息，必須將大量不可靠的物理量子比特以特定方式組合：如果某個量子比特出現故障并導致誤差，其他量子比特可以幫助保護系統。本質上，通過組合多個物理量子比特(左圖)，可以構建出少數幾個抗干擾能力強的“邏輯”量子比特

借助真正的容錯量子比特，可以在計算過程中控制誤差并防止其擴散。理論上，這種量子比特可以通過將多個物理量子比特組合成一個可糾錯的“邏輯量子比特”來實現(圖1)。但在實際應用中，這會帶來巨大的額外開銷：可能需要大量的物理量子比特才能構建出少數幾個容錯邏輯量子比特。隨之而來的問題是，能否以比誤差累積更快的速度檢測所有這些物理量子比特中的誤差(圖2)。

圖2　糾錯過程示意圖：該圖概述了量子處理單元中量子糾錯的工作流程。英國公司Riverlane正在構建其Deltaflow QEC軟件棧，該軟件棧將實時糾正數百萬個數據誤差，使量子計算機能夠實現經典超級計算機無法企及的計算能力

在過去幾年中，這種額外開銷已穩步降低。2024年年底，谷歌的研究人員宣布，他們的105量子比特Willow量子芯片突破了盈虧平衡閾值——當使用更多物理量子比特構建邏輯量子比特時，誤差率會降低而非升高。這意味著，理論上此類量子比特陣列可以實現規模化擴展，且不會出現誤差累積的情況。

“容錯量子計算是我們的終極目標，”IBM研究中心的研究主管Jay Gambetta表示。他認為，要實現真正具有變革性的量子計算，系統不能僅局限于展示少數幾個邏輯量子比特——相反，需要至少包含100個邏輯量子比特的陣列，且能夠執行超過1億次量子操作(108量子操作)。“操作次數是最為關鍵的因素，”他強調道。

這聽起來難度極大，但Jay Gambetta信心十足，認為IBM將在2029年實現這些目標。基于目前在糾錯和誤差緩解方面取得的成果，他表示“比以往任何時候都更有信心實現容錯量子計算機”。IBM實驗量子計算小組前負責人Jerry Chow也持同樣的樂觀態度，他表示：“我們擁有明確的藍圖，計劃到2029年構建出這樣的量子計算機”(圖3)。

也有人認為突破閾值可能會稍低一些：Riverlane首席執行官Steve Brierley認為，第一臺糾錯量子計算機可能最快在2027年問世，它將包含約1萬個物理量子比特，支持100個邏輯量子比特，能夠執行100萬次量子操作(1兆量子操作)。在此之后，10億次量子操作(109量子操作)的量子計算機將于2030—2032年推出，而1萬億次量子操作(1012量子操作)的量子計算機將在2035—2037年面世。

圖3 IBM的發展路線圖

平臺無關性

誤差緩解和糾錯只是量子軟件開發者面臨的兩大挑戰。從本質上講，研發真正的量子算法需要充分利用量子疊加態和量子糾纏等關鍵量子力學特性。通常，實現這一目標的最佳方式取決于運行算法所使用的硬件。但最終目標是開發出平臺無關的軟件，使用戶無需考慮其中涉及的物理原理。

光子量子計算公司Orca的Richard Murray表示：“目前，許多平臺要求用戶深入掌握量子物理知識，這是最大化性能的必要條件。”如果試圖脫離物理原理對算法進行泛化，通常會降低其運行效率。Murray補充道：“但當用戶想要進行機器學習之類的操作時，沒有人愿意糾結于量子物理。”他認為，量子軟件開發者最終能夠向用戶隱藏這些專業細節——但Brierley認為，這需要依托容錯量子計算機才能實現。

Riverlane的Maragkou補充道：“假以時日，邏輯電路之下的所有內容對應用開發者而言都將是一個黑箱。他們無需知道所使用的糾錯方式、量子比特類型等等。”她強調，打造真正高效實用的量子計算機，關鍵在于培養必要的技能。“我們需要擴大人才隊伍，研發更優質的量子比特、更完善的糾錯碼和解碼器，編寫能夠提升這些量子計算機性能的軟件，并以可被廣泛采用的方式解決實際問題。”她補充說，這些技能并非僅來自量子物理學家：“我敢說，大多數都不是來自量子物理學家！”

然而，即便是現在，從事量子軟件開發的人也不一定需要具備深厚的量子理論專業知識。“即使沒有傳統的物理專業背景，不了解氫原子能級等知識，也可以從事量子計算相關工作并解決問題，”量子軟件公司Phasecraft的聯合創始人Ashley Montanaro表示。

另一方面，量子計算領域可以向物理學領域傳遞新認知：研究量子算法可能會催生新的物理學發現。“量子計算和量子信息領域正在不斷拓展我們對當前量子力學的認知邊界，”Montanaro補充稱量子糾錯“已經帶來了令人驚嘆的物理學突破”。

誰是早期用戶？

英國國家量子計算中心的Cuthbert表示，一旦真正的糾錯技術落地，量子計算機將迎來“一系列高價值商業應用”。這些應用可能會是什么？

Jerry Chow指出，在量子化學和材料科學領域，真正的量子優勢——即利用量子方法完成僅靠經典方法無法實現的計算——已基本觸手可及。關鍵在于，量子方法無需應用于整個模擬過程，而是可以作為補充融入經典方法，在問題的特定環節提升效率。

例如，2024年IBM的研究人員與日本理化學研究所(RIKEN)的多位科學家合作，計算了固氮細菌中固氮酶核心的硫化鐵簇(4Fe-4S)的最低能量態。該簇結構龐大復雜，經典量子化學的近似方法無法對其進行精確模擬。研究團隊結合了量子計算(使用IBM的72量子比特Heron芯片)與理化學研究所的“富岳”高性能計算機的算力(圖4)。Gambetta表示，這種“將量子技術作為子程序融入以改進經典方法”的理念可能會成為一種更通用的策略，“計算的未來將是包含量子技術的(助力探索的)異構加速器”。

圖4　聯合攻關：2025年6月，美國IBM公司與日本國立研究機構理化學研究所聯合推出了IBM Quantum System Two量子計算系統，這是該系統首次在美國境外投入使用。該系統將IBM的156量子比特Heron量子計算系統(上圖)與理化學研究所的“富岳”超級計算機(下圖)——全球性能最強大的經典超級計算機之一——相結合，通過高速網絡在基礎指令層面實現連接，成為量子中心型超級計算的試驗平臺

同樣地，Montanaro表示，Phasecraft公司正在研發“量子增強算法”——在這類算法中，量子計算機并非用于解決整個問題，而是通過某種方式為經典計算機提供輔助。他說：“我們知道，量子計算僅對特定類型的問題有用，我認為未來會出現量子計算機與經典計算機協同工作的混合方法，而非完全依賴量子計算機運行所有工作負載。”他進一步指出，量子計算機首先要解決的重要問題包括新材料模擬——例如，為研發清潔能源技術提供支持(圖5)。

圖5 結構洞察：量子計算機的一個極具前景的應用是新型材料模擬。例如，量子算法公司Phasecraft的研究人員已展示了量子計算機如何協助模擬復雜材料，如多晶化合物LK-99——2024年一些研究人員聲稱該材料是室溫超導體。研究團隊采用經典—量子混合工作流程，結合公司專有的材料模擬方法在量子硬件上對材料進行編碼和編譯，成功建立了LK-99的經典模型，并從中提取出材料內部電子的近似表征。圖中展示了LK-99中紅色和灰色原子周圍的綠色與藍色電子結構

“對于像我這樣的物理學家而言，”Preskill表示，“量子計算真正令人振奮的地方在于，我們有充分的理由相信，量子計算機能夠高效模擬自然界中發生的任何過程。”

Montanaro認為，實用量子計算另一個可能的近期目標是解決優化問題——無論是在優化領域還是量子模擬領域，“我們認為，在這個擁有數百個量子比特的NISQ時代，已經能夠帶來真正的價值。”(NISQ這一術語由Preskill提出，指嘈雜中等規模量子計算，其量子比特數量相對較少，且噪聲較大、容易出錯。)

量子計算的另一個潛在優勢是，它往往比傳統高性能計算消耗更少的能源——而傳統高性能計算的能耗是眾所周知的高。即便可以將能耗降低幾個百分點，僅出于這一原因，使用量子資源也是值得的。“量子計算在能源優勢方面確實具有巨大潛力，”Jerry Chow表示。2020年的一項研究顯示，某一特定的量子力學計算在高性能計算機上執行時，其能耗比在量子電路上模擬時高出多個數量級。不過，在缺乏公認且明確的能耗衡量標準的情況下，這類比較并不容易進行。

構建市場

當前，量子計算市場自身正處于一種奇特的“疊加態”——其原理已得到充分驗證，但如今的設備距離能夠解決經典計算機無法處理的實際問題卻仍有差距。然而，要實現這一目標，該領域需要大量投資。

Jay Gambetta表示，量子計算機(尤其是與高性能計算結合使用時)已成為獨特的科學工具，這一點應能立即確立其價值。“我認為這一趨勢將會加速，并持續吸引資金投入。”這也是IBM專注于開發約100個量子比特、可執行超過1000個邏輯門操作的實用規模系統，而非單純追求設備規模擴大的原因。

Montanaro認為，政府應在“私營部門不適合參與的領域”助力行業發展。政府的一個角色就是直接作為客戶。例如，Phasecraft正與英國國家電網合作，開發用于優化能源網絡的量子算法。“對學術研究的長期支持至關重要，”Montanaro補充道，“若認為基礎科學已發展完備，那就大錯特錯了，政府應繼續支持基礎研究。”

不過，目前尚不清楚是否會出現用戶普遍購買和使用量子計算機的巨大需求。Cuthbert說，2010年之前，“人們曾預期銀行和政府部門都會希望擁有自己的量子計算機——市場格局可能與高性能計算類似”。但這種需求在一定程度上取決于商用量子計算機最終的形態：“如果它需要足球場大小的場地，旁邊還需配一座發電站，那么這類基礎設施就只能由國家層面建設。”即使是小型量子計算機，用戶也可能先通過云服務試用，再決定是否在內部部署。

Cuthbert指出，供應鏈發展面臨的真正挑戰在于，如今的許多技術最初是為科學界開發的——例如，實現毫開爾文級冷卻或使用高功率激光器在科學界已成為常規操作。“如何從服務專業科研客戶，轉變為規模化生產(就像洗衣機工廠那樣)，在保證一定性能的同時，大幅降低成本、簡化操作？”

但Cuthbert對彌合這一差距、打造出商用實用型量子計算機持樂觀態度，部分原因在于他回顧了20世紀70年代的經典計算行業狀況：“當時那些系統的設計者根本無法想象我們如今會如此使用計算資源。因此，即使我們不知道這個行業五年后會發展成什么樣，也不應氣餒，它依然能夠成長壯大。”

Montanaro也看到了量子計算與經典計算早期發展的相似之處：“想想20世紀40年代的計算機行業，與20年后相比截然不同，但兩者存在一些共性。如今，各類公司正填補我們此前看到的各個細分領域——有些專注于量子硬件開發，有些則專攻軟件。”Cuthbert認為，量子行業可能會遵循類似的發展路徑，“但速度會更快，市場整合也會更迅速”。

然而，盡管20世紀70年代至80年代個人計算機的出現徹底革新了經典計算行業，但量子筆記本電腦似乎不太可能有市場需求。相反，我們可能會看到越來越多的應用程序和服務出現，它們將基.

于云的量子資源用于特定操作，并與經典計算無縫融合，以至于我們甚至不會察覺到量子計算的存在。

或許，這才是成功的終極標志：量子計算變得“隱形”，不再是新奇事物，而只是我們獲取答案的一種常規方式。

衷心感謝大家參與周末讀書活動！恭喜ThomasLIU，康東，羅浩，Dezhi，GFI，飲水，TM，伏龍先生，妙蛙種子，超越共10位讀者獲贈《量子多體中的吶喊與彷徨》一本。請盡快把快遞信息在后臺告訴我們，以便您收到贈書哦。

歡迎訂閱2026年《物理》雜志

期刊介紹

01

《物理》是由中國科學院物理研究所和中國物理學會主辦的權威物理類中文科普期刊，注重學科性與科普性相結合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學科大家之力，追蹤物理學成果，服務物理學領域，促進學科交叉，讓科學變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業的大學生、研究生、物理學家案頭常讀的刊物之一。

作者：眾多活躍在科研、教學一線的院士、專家。

讀者：物理學及其相關學科(如化學、材料學、生命科學、信息技術、醫學等)的研究人員、教師、技術開發人員、科研管理人員、研究生和大學生，以及關注物理學發展的讀者。

欄目：特約專稿、評述、熱點專題、前沿進展、實驗技術、研究快訊、物理攫英、物理學史和物理學家、物理學漫談、物理教育、人物、科學基金、物理新聞和動態、書評和書訊等。

期刊訂閱

02

訂閱方式：編輯部直接訂閱優惠價240元/年，全國包郵。

方式1

- 微信訂閱 -

(此訂閱方式僅針對需要對公開電子發票的讀者，且務必提供正確的單位名稱和單位稅號)

在“物理所財務處”微信公眾號繳費，操作如下：公號下方“業務辦理”-“訂刊費”-收費部門“《物理》編輯部”，之后填寫相應信息。如有問題，可添加編輯微信咨詢：18627635857。

方式2

- 銀行匯款 -

開戶行：中國農業銀行北京科院南路支行

戶 名：中國科學院物理研究所

帳 號：11250101040005699

（請注明“《物理》編輯部”，匯款成功后請及時聯系編輯部登記郵寄地址）

編輯部聯系方式：

咨詢電話：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

贈閱活動

03

為答謝廣大讀者長期以來的關愛和支持，《物理》編輯部特推出優惠訂閱活動：凡直接向編輯部連續訂閱2年《物理》雜志，將獲贈《歲月有情- <物理> 50周年紀念本》。內有自1972年至2022年《物理》發表的50篇精選文章信息，掃描對應的二維碼，可重溫經典之作，感悟物理科學的真諦，領略學科大家的風采。希望讀者們愛上《物理》!