量子计算： 处在商业应用的临界点

北京量子信息科学研究院 韩明、于海峰 编译自Philip Ball.

Physics World

本文选自《物理》2025年第12期

“如果量子计算能在10年、20年甚至更久后产出任何具有技术实用性的成果，我会感到惊讶。”2004年，常被视为量子计算理论之父的牛津大学物理学家David Deutsch曾这样写道。不过，他也补充了一个前提：“我以前也有过感到惊讶的经历。”

我们无从知晓，作为量子计算先驱的Deutsch，若参加了2025年2月在伦敦皇家学会举办的“量子信息的未来”会议，会感到多么惊讶。从这次会议我们很容易得出一个结论：量子计算现已真正“落地”——利用量子力学原理进行计算的可运行机器，已实现商业生产并交付给客户。此次会议同时也是2025年国际量子科学与技术年(IYQ)在英国的启动活动，领域内多位关键人物齐聚一堂，用两天时间将量子计算当作一门(虽处于早期阶段但已初具规模的)成熟产业来探讨。

100年前，海森伯提出了首个完善的量子力学理论。若他得知，自己与同行们为理解微小粒子基本行为而建立的理论体系，如今已催生出操控信息的新方法，进而解决计算领域的实际问题，想必也会感到惊讶。到目前为止，尽管量子计算利用叠加态、纠缠等现象有望实现远超最先进经典计算机的计算能力，但尚未解决任何一件经典计算机无法处理的实际问题。

尽管量子力学的基本原理已得到充分验证且切实可行，但量子信息技术要实现常规交付具备变革性能力的资源，仍需克服诸多障碍。不过，许多研究者认为，“实用量子优势”的时刻已近在眼前，整个行业都在为这一时刻的到来做准备。

纠缠的市场

那么，量子计算目前的性能和近期前景如何呢？首先要承认的是，量子计算市场正蓬勃发展。相关设备正在由多家科技公司为商业用途而打造，其中包括IBM、谷歌、总部位于加拿大的D-Wave以及已深耕该领域十年或以上的Rigetti；还有相对新晋的公司，如加拿大Nord Quantique、芬兰IQM、英美合资的Quantinuum、英国Orca以及美国PsiQuantum、澳大利亚Silicon Quantum Computing。根据《2024年量子发展报告》显示，目前全球共有33个国家在量子技术领域开展政府计划，其中超过20个国家制定了包含大规模资金投入的国家战略。

一条供应链也在有机地发展壮大，其中既包括牛津仪器和量子机器等特定硬件组件的制造商，也包括位于英国剑桥的Riverlane以及位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的QCWare等软件开发商。为这条链条最后一环提供支持的，是一众热情高涨的终端用户，从摩根大通、高盛等金融公司，到阿斯利康等制药企业，再到空中客车这样的工程公司。量子计算已然成为一个规模庞大的产业，目前全球活跃企业约有400家，投资额估计约为20亿美元。

然而，对于眼下这一热潮的未来走向，却很难做出准确判断。当计算机巨头英伟达的首席执行官在2025年初宣布，“真正具有实用价值”的量子计算机仍需二十年才能问世时，此前曾大幅飙升的一些领先的量子计算公司的股价随即骤然暴跌。此后，这些公司的股价虽有所回升，但这种剧烈波动恰恰反映出，量子计算目前尚未证明其商业价值。

这一领域尚处于起步阶段，企业需要合理管控预期、避免过度炒作，同时也要描绘出足够乐观的前景，以持续吸引投资。“确实有令人惊叹的重大突破正在取得，”萨塞克斯大学物理学家Winfried Hensinger表示，“但我们必须摒弃那种实用化的量子计算机明天就能问世的期待。”

当前的现状通常被称为“嘈杂中等规模量子”(NISQ)时代。这是因为当今设备中的“嘈杂”量子比特极易出错，而目前尚无通用且简单的纠错方法。因此，现有的量子计算机还无法执行那些在传统高性能计算(HPC)机器上无法完成的、具有实际应用价值的计算任务。这不仅仅是工程设计中有待改进的问题；更根本的科学基础研究也远未完成。

“我们正处在实现量子科学优势的临界点——能够比全球最顶尖的经典方法更出色地解决某些科学难题，”布里斯托尔大学物理学家、量子软件公司Phasecraft联合创始人Ashley Montanaro表示，“不过，我们目前尚未达到实用量子优势的阶段，即量子计算机能够解决具有商业价值且切实相关的难题，比如研发下一代锂离子电池。”如今，问题已不再是能否实现或如何实现，而是何时实现的问题了。

选择你的平台

由于量子计算行业尚处于新兴阶段，如今的量子设备采用的量子比特物理系统差异极大，详见Box“量子模式的比较：从量子比特到架构”。目前尚无明确迹象表明，这些平台中是否会有某一种最终成为主流。

量子模式的比较：从量子比特到架构

就像经典计算机一样，量子计算机也有一个核心处理器和一套控制堆栈，而不同之处在于，其核心取决于所使用的量子比特类型。当前的量子计算并不存在单一的平台，而是由一系列彼此竞争的硬件路线组成。每一种都基于不同的物理机制来创建和操控量子比特，并努力保持其量子态的稳定性。

以上数据(来自美国公司PatentVest于2025年8月发布的《量子计算的拐点：谁在领先、他们拥有什么、以及为何知识产权将决定量子计算的未来》报告)展示了主要的“量子模态”。所谓量子模态，指的是构建量子系统的不同量子比特类型和体系结构。不同类型的量子比特各有优劣，其差异体现在诸多方面，包括工作温度、相干时间、门操作速度，以及未来能否容易实现大规模扩展等。

事实上，许多研究者认为，未来永远不会有单一类型的量子比特占据主导。当前性能领先的量子计算机，如谷歌的105量子比特“柳树”(Willow)芯片、IBM的121量子比特“秃鹫”(Condor)芯片，均采用超导材料波函数编码信息的量子比特。直到最近，最有力的竞争平台似乎还是“囚禁离子”技术——量子比特是被电磁陷阱捕获的单个离子，美国离子量子公司(IonQ，脱胎于马里兰大学)等企业正将这项技术转化为可运行的设备。

量子计算巨头IBM表示，到2029年，其容错系统应能在200个逻辑量子位上准确运行1亿个门操作，从而真正实现量子优势

但在过去几年里，“中性原子”已崛起为重要竞争者，这得益于对这类量子比特位置和状态控制技术的突破。在该技术中，原子会被制备成一种名为“里德伯原子”的高激发电子态，它们能在几微米的距离内相互纠缠。美国哈佛大学孵化的初创公司QuEra、法国初创公司Pasqal均在研发这项技术。2025年9月，美国加州理工学院的一个团队宣布研发出包含6100个中性原子的量子比特阵列。“如果十年前要我押注量子计算的未来，我绝不会把中性原子方法纳入考虑，”David Deutsch在牛津大学的同事、量子信息理论家Andrew Steane表示。但与许多人一样，他如今的看法已发生改变。

部分研究者认为，以光子为量子比特的光学量子计算也将成为重要平台。该技术的一大优势在于，现有通信网络中往返于处理单元的光子信号无需复杂转换——这对芯片间的光子互联同样便利。此外，光子电路可在室温下运行，而被困离子与超导量子比特则需冷却处理。PsiQuantum、Orca、Xanadu等企业正致力于研发光学量子计算技术。

另有一些研发方向，例如Intel与澳大利亚Silicon Quantum Computing的研究，分别以量子点和精准放置的磷原子为基础在传统硅材料中制备量子比特——这种方案可以受益于高度成熟的制造体系。“基于离子与原子的小型量子比特可打造出最高质量的处理器，”新南威尔士大学教授、Silicon Quantum Computing创始人兼首席执行官Michelle Simmons表示，“但唯有硅基原子体系能够将这种高质量与可制造性结合起来。”

此外，全新的量子计算平台仍有可能出现。2025年初，微软位于美国华盛顿州的实验室研究者宣称，他们已利用半导体与超导器件制备出拓扑量子比特——这类量子比特的出错率低于目前已投入使用的其他类型。该声明引起了部分科学家的不满，因为其未附带同行评审论文来佐证这一长期以来备受关注的技术成果。但无论如何，多数研究者认为，拓扑量子计算要追上现有平台的发展水平，仍需十年或更久时间。

措施和指标

鉴于不同硬件平台的这些优缺点，评估其优劣的一大难点在于如何找到有意义的指标来进行比较。我们究竟应该比较错误率、相干时间(即量子比特保持纠缠状态的时长)、门操作速度(单个计算步骤能够完成的速度)、电路深度(单次计算能够持续进行的步骤数量)、处理器中的量子比特数量，还是其他什么指标呢？英国国家量子计算中心(NQCC)的创始主任Michael Cuthbert指出：“目前提出的各项指标和评估标准往往更偏向于特定平台，这使得量子计算机性能的比较，几乎沦为一种营销噱头，而非科学的基准测试。”

NQCC采用一种名为“量子操作”(QuOp)的指标来评估设备的性能。简单来说，它指的是在量子比特失去相干性、计算陷入噪声之前，单次计算中能够执行的量子操作次数。“如果你想进行一次计算，能够连续执行的相干操作次数就是一个客观衡量标准，”Cuthbert表示。如果想超越当前的NISQ时代，他补充道，“我们需要迈向这样一个阶段：在一次计算中能够完成大约一百万次相干操作。而目前我们还处于仅能完成几千次相干操作的水平。因此，在实现大规模计算之前，还有很长的路要走。”

一个重要的问题在于，这些平台在构建更大规模的量子电路方面有多大的适应性。Cuthbert将扩大规模——即在芯片上集成更多量子比特——与“横向扩展”进行了对比，在后者中，尺寸相同的芯片以模块化方式相互连接。许多研究人员认为，单个量子芯片不太可能像当今硅基计算机芯片那样拥有数百万个量子比特。相反，它们更可能是由相对较小的芯片组成的模块化阵列，这些芯片通过量子互连技术在其边缘彼此连接。

在成功研制出“秃鹫”芯片之后，IBM如今计划将重心转向模块化架构(横向扩展)——这一点无论如何都势在必行，因为超导量子比特的尺寸仅为微米级(译者注：另需考虑其他量子电路的面积，平均每个比特的面积在十平方毫米量级)，因此搭载数百万个量子比特的芯片“将比你的餐桌还要大”，Cuthbert表示。然而，超导量子比特并不容易实现横向扩展，这是因为控制和读取量子比特所用的微波频率必须转换为光频，才能通过光子互连进行通信。相比之下，冷原子则更容易实现规模扩展，因为其量子比特本身体积小巧；而光子量子计算则最易于横向扩展，因为它早已使用同一种语言(光频段)进行交流。

要构建所谓的“容错”量子计算机，量子平台必须解决纠错问题，这将使计算规模得以大幅扩展，而不会导致计算结果退化为单纯的噪声。

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