《Nature》连发5篇！量子计算迎来工程化时代？

来源：光子盒

量子计算正从“物理验证”阶段切换到“工程落地”阶段。

9月，《Nature》连续刊登5篇关于量子计算的重磅研究，系统攻克了量子计算规模化、容错性、工程化三大核心瓶颈。这些成果并非孤立的技术突破，而是共同揭示了一个明确信号，那就是量子计算正在从小规模物理实验逐步迈向系统工程化阶段，实用化量子计算的核心障碍正在被系统性清除。

可见，量子计算正在进入以“工程化”、“规模化”为基础，以“容错计算”为终极目标的集成攻坚阶段。

规模化竞赛

量子计算的规模化长期面临“数量-质量”悖论：单纯增加量子比特数量往往导致相干性、操控保真度的急剧下降。《具有6100个高相干原子量子比特的光镊阵列》《3000量子比特相干系统的连续运行》2篇论文的发表打破了这一困局，实现了量子比特数量与质量的同步跃升。

（一）加州理工学院：具有6100个高相干原子量子比特的光镊阵列

研究团队在光镊阵列中实验性地实现了对超过6100个原子量子比特的同时囚禁。

此前的中性原子系统通常在数百到一千个量子比特的量级，6100个量子比特意味着系统规模实现了近一个数量级的飞跃，构建出迄今最大量子比特阵列。该系统在达到如此规模的同时，依然展示了12.6(1)秒的超精细量子比特相干时间，打破了“规模增大必然牺牲性能”的传统认知。

图：大规模镊子阵列

研究团队对数千个原子进行逐个探测和初始化，其成像保真度超过99.99%，存活率高达99.98952(1)%。这意味着大规模阵列中单个量子比特的状态可被精准读取，为量子纠错提供了基础条件。

值得一提的是，研究团队开展了相干长距离传输和原子转移实验，实现了在阵列中将原子移动数百微米而保持量子态稳定。这对于实现模块化、区域划分的容错量子计算架构至关重要。它允许在一个区域内进行逻辑门操作，同时在其他区域进行错误检测和纠正，是迈向数万级物理量子比特系统的必由之路。

量子计算领域的下一个重要里程碑是在数千个物理量子比特的尺度上实现量子纠错，这一成果标志着中性原子平台已在物理比特数上取得了绝对的领先优势，其性能指标（保真度、相干时间、成像质量）开始全面逼近甚至达到容错计算所需的物理门槛。下一步将是提高并行和多体纠缠操作的保真度。

（二）哈佛大学等：3000量子比特相干系统的连续运行

研究团队通过光学晶格传送带技术，实现了3000量子比特阵列的超2小时的连续运行，远超传统原子阱约60秒的典型寿命。

图：用于连续重新加载的原子阵列架

其核心突破在于解决了原子损失导致的“脉冲模式”限制，以每秒30万个原子的装载速率和3万个量子比特的初始化速率，将阵列维持时间延长至2小时以上。这种“动态补全”机制相当于为大规模量子系统配备了“永动机”，彻底解决了规模化运行中的量子比特损耗问题，为建造实用化量子计算机迈出重要一步。

最重要的是，研究团队证明了可以持续地用自旋极化态或相干叠加态的原子量子比特来填充阵列，同时保持已存储量子比特的量子态。这意味着该平台可以有效地为魔术态蒸馏等容错关键模块提供源源不断的消耗性资源，为深电路量子演化和容错量子计算铺平道路。

这项突破的本质，是将量子计算系统从一个需要不断重启的试验台，升级为一个可以连续操作的引擎，从根本上提升了系统的工程可靠性和吞吐量。这对于需要长时间运行的量子纠错流程、量子计量和原子钟等领域而言，可以称得上是颠覆性进步。它意味着，量子计算正迈入“长跑”时代。

容错性突破

如果说规模化是量子计算的“量的积累”，那么容错能力就是量子计算的“质的飞跃”，是实现通用量子计算的重要门槛。

（一）QuEra Computing等：通用量子计算的低开销横向容错方案

构建通用容错量子计算机的关键是实现快速且可靠的逻辑操作，其必须依赖于量子纠错。然而，实现一个稳定的逻辑量子比特往往需要大量冗余物理量子比特，这需消耗大量的时间和空间资源，成为实现实用容错量子计算的主要障碍。

对此，研究团队创新性提出“横向算法容错”的低开销横向容错方案。研究证明，对包括带有魔术态输入及前馈控制的表面码在内的一大类量子纠错码（包括表面码），逻辑操作可以通过恒定次数的综合测量轮次实现容错。

图：横向算法容错性

简单来说，以前可能需要做10轮测量才能确保一个操作是容错的，现在只需要做2-3轮。通过结合横向操作和新的相关解码策略，尽管只获取了部分综合测量信息，逻辑错误率依然可以随着编码距离指数级下降。

这一理论架构的突破，意味着在既定的物理比特数量下，可以更快、更高效地执行逻辑门操作，极大提升了容错量子计算机的实际计算效率。该成果有望将实用容错量子计算的空间-时间资源开销降低一个数量级以上。

如果结合高保真物理比特（门保真度超过99%），未来构建逻辑量子比特所需的规模可能大幅下降，使得通用容错量子计算机的门槛更接近现实。

可见，容错能力是量子计算发展的关键一环，决定了量子计算能否跨过实验演示走向实用规模。

（二）哈佛大学等：在中性原子量子计算机上探测Kitaev蜂窝模型

尽管不是纯粹的容错计算，但该研究在中性原子平台上实现的针对Kitaev蜂窝模型的数字量子模拟，展示了一种面向复杂多体系统的数字化、可纠错的计算架构。

研究团队实现了针对二维费米子体系的数字量子模拟架构，采用基于蜂窝晶格上Kitaev模型的费米子-量子比特映射，利用长程纠缠态对费米子统计进行编码。

通过测量和前馈高效制备拓扑态，结合Floquet工程和原子重排，利用可调谐纠缠门实现了后续的费米子演化，并通过内置错误检测改进结果。这本质上是对量子演化过程进行主动控制和纠错或校准的早期尝试。

图：基于蜂窝晶格的Kitaev模型

值得一提的是，Kitaev模型是拓扑量子计算的理论基石之一。在这个模型中，任意子激发态具有非阿贝尔统计，它们的缠绕路径可用来执行容错量子计算。这项研究利用数字方法在中性原子上模拟出这种拓扑物态，证明了现有量子硬件具备执行复杂拓扑编码和长程纠缠态制备的能力，为未来在通用量子计算机上运行拓扑量子纠错码（如表面码的变体）奠定了基础。

这项研究是可编程、数字化量子模拟机的重要范例，其采用的前馈控制、重排和错误检测等机制，是未来通用容错架构中不可或缺的工程元素。

工程化量产

量子计算的实用化，离不开大规模、可制造、低成本的集成技术。在所有量子比特技术路线中，硅自旋量子比特因其与成熟的半导体工业（CMOS）的天然兼容性，被视为最具工业化前景的解决方案。

新南威尔士大学等：工业生产的硅自旋量子比特单元保真度超过99%

双比特逻辑门是量子计算的基本构件，其可靠性被视为量子计算机走向大规模容错的关键指标。研究团队首次在300毫米半导体代工环境中，采用标准CMOS工艺制造的硅自旋量子比特单元实现了保真度超过99%的单比特与双比特量子门。

更关键的是，在四个量子比特单元上，单量子比特和双量子比特的控制保真度均超过99%，最高态制备与测量保真度达到99.9%。这表明工业化制造并不必然导致性能下降，而是可以保持甚至逼近学术界的最高水平。

图：在300毫米晶圆上制造的Diraq双量子比特器件示意图

为确保结果可靠，研究团队采用了严格的门层析（GST）方法对量子门进行全面表征，并分析了误差来源。结果显示，主要限制因素依然来自残余核自旋杂质，未来可通过进一步的同位素提纯优化。

这项研究的重要意义在于宣告极高品质的量子比特是可以在现有的、最主流的半导体生产线上被“批量”制造出来的，表明量子比特的“工厂化”生产时代已经来临。

它证明了硅自旋有潜力将量子计算的“工程化”难度降至最低，通过工业化的量产和质量控制，实现对容错量子计算至关重要的高良率、高均匀性、大规模集成。硅自旋量子比特正成为最有前景的通用容错量子计算机路线之一。

结语

纵观上述5篇科研成果可以发现，它们共同打开了通往通用容错量子计算的大门。中性原子提供了规模化的硬件基石，横向容错提供了高效的逻辑架构，而硅自旋则指明了低成本工业化的终局。以上多方面的协同突破，正加速推动量子计算迈向真正具有实用价值的通用计算时代。

当前，我们正处于一个历史性的拐点：量子计算不再是遥远的未来，其已经完成了从“能否工作”到“如何高效、大规模、可靠地工作”的转变。这是一个从演示到工程的深刻转变。

因此，当下的量子计算，已不再仅仅是物理学家探索量子世界奥秘的工具，而开始具备工程系统的特征：可设计、可制造、可维护、可扩展。这些特征表明量子计算正逐渐成熟，向着实用化目标稳步前进。

路虽远，行则将至。量子计算从理论提出到今天的工程化探索，已经走过数十年历程。随着全球学术界和产业界的持续投入，量子计算将在不远的将来实现其改变计算范式的目标，为科学发现和技术创新开辟新的可能性。

（注：如需查看论文原文，直接在浏览器复制参考链接即可获取）

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09641-4

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09596-6

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09543-5

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09475-0

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09531-9

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