Nature：量子计算加速，关键拐点逼近

在过去二十多年里，量子计算始终被贴着同一个标签：前景巨大，但遥遥无期。

它在理论上几乎无所不能，却在现实中一次次被噪声、错误率和工程复杂度拉回实验室角落。

但现在，一种微妙却清晰的变化正在发生。

2026年2月4日发表于《自然》（

Nature

过去两年里，量子纠错跨过了关键阈值，量子门精度逼近“九个九”，算法、材料、芯片与系统工程同时取得突破。原本需要数十亿量子比特的计算任务，被压缩到几十万，甚至更低的数量级。曾被视为营销话术的产业时间表，开始被实验数据一一托底。

这篇文章要回答的，不是“量子计算是否伟大”，而是一个更现实的问题：

它是否终于走出了“永远有一天”，开始进入可规划、可工程化的阶段？

如果答案正在改变，那么改变的根源究竟在哪里，又意味着什么？

2026年2月4日发表于《自然》（Nature）的一篇关于量子计算领域最新进展的文章截图。

本文三章21节，7100多字：

1. 量子计算：一场正在加速的技术转折

2. 进展为何突然加速？

第一章 | 挥之不去的难题：错误率曾是最大障碍

3. 量子计算为何如此脆弱？

4. 两个困扰几十年的根本问题

5. 四支团队，跨过了关键门槛

6. 量子纠错：把一个量子比特“拆开保存”

7. 从数学证明到现实验证：容错量子计算浮出水面

第二章 | “九个九”的追逐：让量子纠错真正可扩展

8. 容错的代价：曾经需要“千比一”的冗余

9. 算法更聪明了，所需量子比特在下降

10. 现在的核心问题：怎样让纠错更高效

11. 纠错理论正在爆发，但复杂性也在增加

12. 从“千比一”走向“百比一”的尝试

13. 延长寿命：让量子比特“活得更久”

14. 接近科幻的精度，正在变成现实

15. 从“英雄实验”到可复制系统

第三章 | 量子计算会很快到来吗？产业承诺与现实进度之间

16. 企业的时间表，正在变得更可信

17. 超导路线的希望：寿命再翻十倍

18. 冰箱里的瓶颈，正在松动

19. 系统工程：真正决定成败的环节

20. 时间仍有争议，但预期已经前移

21. 十年之内，已不再是异想天开

牛津离子公司（Oxford Ionics）生产的量子计算机芯片，该公司是众多在该技术领域取得重大进展的公司之一。（图源：Oxford Ionics/IonQ company）

1.

量子计算：一场正在加速的技术转折

几年前，量子计算领域的主流判断仍然相当保守。许多研究者认为，要让量子计算机真正解决复杂问题——例如预测化学反应过程或破解高强度加密文本——至少还需要几十年时间。但如今，这种时间表正在被迅速改写。

越来越多的迹象显示，可用的量子计算机，可能在未来十年内就会出现。

美国新泽西州普林斯顿大学的实验量子物理学家娜塔莉·德莱昂（Nathalie de Leon）将这种变化形容为一次明显的“氛围转变”。她指出，越来越多的人开始意识到，这件事真的有可能实现，而且比预想中更快。

2.

进展为何突然加速？

过去两年左右，量子计算领域的进展明显提速，而且是多条技术路线同时推进。

一方面，来自高校实验室的研究团队，以及从初创公司到大型科技企业的产业力量，显著降低了量子设备中长期存在的错误率。这得益于两个关键改进：

• 量子器件制造工艺的提升

• 对量子比特进行操控的方法更加精细

另一方面，理论物理学家和计算机科学家对如何更高效地使用量子设备，也有了更清晰的理解。

耶路撒冷希伯来大学的计算机科学家多里特·阿哈罗诺夫（Dorit Aharonov）表示，如今她对量子计算的前景比以往任何时候都更有信心。“量子计算一定会实现，而且时间线比人们过去想象的要短得多。我们已经进入了一个新时代。”

第一章

挥之不去的难题：错误率曾是最大障碍

之所以最近的突破让物理学界格外振奋，是因为它们正面击中了量子计算长期以来最核心的瓶颈问题。

3.

量子计算为何如此脆弱？

量子计算机通过“量子比特”来编码信息。与经典计算机中只能取0或1的比特不同，量子比特既可以是0或1，也可以处在两者之间的连续叠加态。一个典型的例子是电子的量子自旋，它可以像一根磁针那样，在空间中指向任意方向。

一次完整的量子计算，核心是一系列被称为“量子门”的操作。这些操作可以：

• 作用于单个量子比特，例如将自旋旋转一个特定角度；

• 或同时作用于多个量子比特。

关键在于，量子门能够让多个量子比特进入纠缠态——一种高度相关的集体状态，使可处理的信息量呈指数级增长。计算最终以一次测量结束，量子态被破坏，输出结果以普通数字比特串的形式呈现。

4.

两个困扰几十年的根本问题

长期以来，研究人员对这种计算范式是否可行始终心存疑虑，原因主要有两点。

第一，量子态在现实环境中极其不稳定。它们会自然、随机地漂移，持续一段时间后，所承载的信息几乎不可避免地丢失。

第二，操作本身就会引入误差。即便是看似简单的操作，比如用电磁脉冲旋转一个电子自旋，也无法做到百分之百精确。

正是这两点，使量子计算在很长一段时间里看起来更像一个理论上的可能性，而非可工程化的技术。

5.

四支团队，跨过了关键门槛

但在过去一年左右，情况发生了根本性变化。阿哈罗诺夫等人指出，已有四支研究团队证明，这些问题在原则上是可以被解决的。

这四个团队分别来自：

• 美国加利福尼亚州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能实验室；

• 科罗拉多州布鲁姆菲尔德的量子公司量子连续体（Quantinuum）；

• 美国马萨诸塞州的哈佛大学与初创公司“量子时代”（QuEra）；

• 中国合肥的中国科学技术大学。

6.

量子纠错：把一个量子比特“拆开保存”

这些团队共同采用并改进了一种核心技术：量子纠错。

其基本思想是，不再让一个量子比特独自承载信息，而是将一个“逻辑量子比特”的信息分散编码在多个“物理量子比特”中。只要其中部分物理量子比特出错，系统仍有机会恢复原始信息。

不同团队采用的物理实现方式各不相同：

• 谷歌和中科大的方案中，量子信息编码在超导材料回路中循环的电子集体状态里，系统被冷却到接近绝对零度，以减少信息退化；

• 量子连续体公司使用的是被电磁场捕获的单个离子中电子的磁取向；

• 量子时代公司则利用光学镊子束缚的中性原子，其量子比特由原子的排列取向表示。

在计算过程中，系统会在中途测量特定的物理量子比特，以判断逻辑量子比特是否受到破坏，并据此施加纠正操作。

7.

从数学证明到现实验证：容错量子计算浮出水面

量子纠错本身并非没有代价。任何纠错操作本身也会引入新的误差。

早在20世纪90年代，阿哈罗诺夫等人就通过数学证明指出：如果纠错过程被反复应用，理论上可以将错误率降低到任意小。但这一结论附带一个关键前提——每一步纠错操作的错误率，必须低于某个阈值。

而这，正是过去几十年里始终未能跨越的门槛。

如今，上述四支团队已经展示，他们的量子计算系统确实满足了这一阈值条件。对许多物理学家而言，这一成果具有里程碑意义，因为它首次在实验层面表明：

大规模、具备容错能力的量子计算，在技术上是可行的。

普林斯顿大学的科学家们开发了一种能够提高量子计算精度的技术。（图源：Matt Raspanti/Princeton University）

第二章

“九个九”的追逐：让量子纠错真正可扩展

即便量子纠错已经被证明在原理上可行，它也并非灵丹妙药。真正的挑战在于规模。

8.

容错的代价：曾经需要“千比一”的冗余

长期以来，科学界的普遍估计是：如果要运行一个完全具备容错能力的量子算法，量子纠错带来的开销可能高达1000:1——也就是说，每一个逻辑量子比特，需要至少一千个物理量子比特来支撑。

但现实是，目前建成的最大量子计算机也只有几千个量子比特。而早期的推算甚至认为，如果要完成诸如大整数质因数分解这样的任务，可能需要数十亿个量子比特。

之所以把质因数分解作为标志性目标，是因为一旦量子计算机能够高效完成这一任务，它就意味着可以解决一整类传统计算机难以处理的问题，例如：

• 预测新型“奇迹材料”的物理性质；

• 让金融交易的优化效率发生质变；

• 以及破解目前广泛使用的互联网加密体系。

9.

算法更聪明了，所需量子比特在下降

改变这一局面的一个关键因素，是算法层面的创新。研究人员正在用更“聪明”的方式实现量子算法，用更少的量子比特和量子门完成同样的计算任务。

结果是，用于分解大整数所需的物理量子比特数量估计值，几乎每五年就能下降一个数量级。

去年，谷歌的研究人员克雷格·吉德尼（Craig Gidney）展示了一种实现方案，将所需量子比特数量从2000万个大幅削减至100万个。其中一个关键技巧，是将抽象的量子门线路，重新组织成复杂的三维几何结构。“我确实大量依赖几何直觉。”吉德尼这样形容自己的方法。

他认为，这一结果已经接近标准量子纠错技术所能达到的性能极限。但他也指出，如果未来出现更先进的纠错方案，冗余比例仍有进一步下降的空间。

10.

现在的核心问题：怎样让纠错更高效

在德莱昂看来，当前整个领域的焦点已经非常明确：如何让量子纠错变得更高效。

实现路径主要有两条：

• 一是理论上的突破，通过设计更高效的纠错编码，让一个逻辑量子比特的信息能被更紧凑地存储，从而减少所需的物理量子比特数量；

• 二是工程上的改进，提高量子门操作的保真度（即准确率），以及物理量子比特本身的质量，从而减少纠错所需的步骤数量。

柏林自由大学的物理学家延斯·艾瑟特（Jens Eisert）表示，如果未来几年物理量子比特的冗余需求不能继续下降，他反而会感到意外。

11.

纠错理论正在爆发，但复杂性也在增加

荷兰代尔夫特理工大学量子技术研究机构“量子技术”（QuTech）的理论物理学家芭芭拉·特哈尔（Barbara Terhal）指出，从数学角度看，量子纠错理论正在变得更加丰富，也更加有趣。近年来，相关论文数量出现了“爆炸式增长”。

但她也提醒，更复杂的纠错编码并非没有代价。纠错结构越复杂，执行量子门操作的难度也可能越高，这在工程实现中可能成为新的瓶颈。

12.

从“千比一”走向“百比一”的尝试

一些具体方案已经展现出大幅降低冗余的潜力。

IBM完善的一种纠错技术，有望用当前行业标准十分之一的物理量子比特数量来编码逻辑量子比特，将冗余比例降至约100:1。

初创公司量子时代则尝试利用其中性原子量子比特的一项独特优势：量子比特可以被灵活移动，并按需彼此纠缠。量子时代公司创始人、哈佛大学物理学家米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）表示，这一方案在理论上同样可以将冗余降至100:1。

要实现这一目标，卢金估算，其双量子比特量子门的保真度需要从目前的99.5%提升到约99.9%。他认为这是可以做到的。“我们正稳步走在通往‘三个九’的道路上。”他说，这正是业界对高可靠性的常用说法。

13.

延长寿命：让量子比特“活得更久”

德莱昂本人则从另一个方向切入，专注研究量子比特的内在弱点。她运用高精度计量学技术，系统性地分析量子比特性能受限的根源。

对于超导量子比特而言，历史上最大的短板之一是寿命太短。即便算法在运行，量子比特也会在等待执行量子门操作的过程中不断“衰减”。“当它们在等你做操作时，量子比特其实已经在慢慢‘死去’了。”德莱昂这样形容。

她与合作者通过超高精度测量，锁定了限制寿命的电磁噪声来源，并尝试了一系列材料层面的改进：

• 将超导回路材料从铝换成钽；

• 将衬底材料从蓝宝石换成绝缘硅。

这些改变叠加在一起，使量子比特寿命从0.1毫秒提升到1.68毫秒。相关成果发表于去年11月的《自然》（Nature）。德莱昂认为，这还远不是极限，“我相信通过一些明显的尝试，可以把寿命提升到10到15毫秒”，尽管她也提醒，每消除一种噪声，往往会出现新的、意想不到的干扰源。

14.

接近科幻的精度，正在变成现实

与此同时，一些团队已经在量子门保真度上取得了几年前几乎难以想象的成绩。

2025年6月，研究人员报告了一项单量子比特量子门操作，精度达到99.999985%，接近七个九，比此前纪录高出一个数量级。而且，这一突破并未对底层硬件做出任何改动。

该实验的执行者之一、英国牛津大学的物理学家莫莉·史密斯（Molly Smith）回忆说，最初只是对微波和激光脉冲做了一些微调，结果却出乎意料。“我们当时想，‘哇，那就看看还能压低到什么程度吧。’”

多量子比特操作通常比单量子比特更容易出错，但纪录同样在被不断刷新。

• 初创公司牛津离子（Oxford Ionics，现已与美国马里兰州学院公园的IonQ合并）宣布，其双量子比特操作保真度达到99.99%；

• 以色列比尼亚米纳的量子晶体管公司（Quantum Transistors）则在去年12月宣布，实现了99.9988%的双量子比特保真度，接近五个九，其量子比特由掺杂金刚石中的电子态表示。

15.

从“英雄实验”到可复制系统

量子连续体公司位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的物理学家克里斯·兰格（Chris Langer）指出，这类刷新纪录的成果，虽然令人振奋，但在物理学界常被称为“英雄实验”——它们通常是在单一组件、单一操作上做到极致优化。

要在一台完整、可重复运行的量子计算机中实现同样的性能，往往还需要两年以上的工程打磨。

不过，IonQ旗下牛津离子实验室的物理学家克里斯·巴兰斯（Chris Ballance）表示，他们预计不久之后，就能在真正可运行的系统中实现同等级别的表现。

第三章

量子计算会很快到来吗？产业承诺与现实进度之间

长期以来，量子计算公司对实现大规模、具备容错能力的量子计算一直保持高度乐观。

16.

企业的时间表，正在变得更可信

谷歌量子计算部门负责人哈特穆特·内文（Hartmut Neven）表示，公司的目标始终没有改变：“我们一直说，会在本十年结束前交付可用于实际场景的量子计算能力，这一点并没有真正改变。”

不同的是，许多研究人员认为，这些说法如今看起来更具可行性。在过去，它们常被视为营销层面的夸大宣传；而现在，即便对具体时间表仍存疑，学界也普遍承认，技术基础已经发生了实质性变化。

离子阱量子计算公司IonQ的态度则更为激进。该公司宣称，其量子计算机有望在2020年代末解决大整数质因数分解问题。IonQ旗下牛津离子实验室的物理学家克里斯·巴兰斯（Chris Ballance）声称，与竞争对手相比，IonQ在解决同类问题时，所需量子比特数量可减少10倍到1000倍。不过，批评者也指出，IonQ尚未展示一台完全符合这些指标的、可运行的量子计算机。

17.

超导路线的希望：寿命再翻十倍

在超导量子比特路线方面，德莱昂认为，进一步延长量子比特寿命将产生决定性影响。她估算，如果寿命能够提升至10毫秒左右，量子纠错的冗余开销可能会降低两到三倍。

在多项改进叠加的情况下，她认为，用3万到5万个量子比特完成大整数质因数分解，已经不再是遥不可及的目标。

这一数量级，正好接近企业希望在一台单一的超低温制冷装置中容纳的量子比特规模。如果能够做到这一点，就可以避开一个长期困扰工程师的难题：如何将多台低温制冷装置可靠地连接起来，组成一台真正具备容错能力的量子计算机。

18.

冰箱里的瓶颈，正在松动

按照内文的说法，以当前技术水平，谷歌最大的低温制冷设备可以容纳约1万个量子比特。过去真正的“拦路虎”在于，每一个量子比特都需要通过导线连接到位于冰箱外、室温环境下的电子控制系统。

但下一代可在极低温环境下工作的电子学器件，理论上可以被直接放置在制冷设备最冷的区域，并与量子芯片高度集成。如果这一设想得以实现，在一台设备中集成数十万个量子比特，将变得现实可行。

19.

系统工程：真正决定成败的环节

也有研究人员对过快的乐观预期保持谨慎。

美国加州圣巴巴拉的物理学家约翰·马丁尼斯（John Martinis）曾是谷歌量子计算项目的核心人物，并于2025年获得诺贝尔奖。他指出，企业往往会突出各自技术路线的优势，但真正可用的量子计算机，最终要面对的是系统工程问题——各个部件如何协同工作。

“一条链条的强度，取决于最薄弱的那一环。”马丁尼斯这样形容。

目前，他正尝试用一种更加整体化的方式重新设计超导量子比特。“我们正在用一种完全不同的方法制造这些器件。”他共同创立的初创公司Qolab，正与位于美国加州圣克拉拉的半导体公司应用材料公司（Applied Materials）合作，引入现代计算机芯片的制造工艺。

他们的目标是制造直径300毫米的超大芯片，在一块芯片上容纳2万个以上的超导量子比特，并且能够直接放入标准的低温制冷装置中运行。

20.

时间仍有争议，但预期已经前移

尽管如此，许多研究人员仍认为，实现真正的容错量子计算不会轻而易举，而且可能比头部公司宣称的时间更晚。

柏林自由大学的艾瑟特指出，仍有一些关键问题尚未被充分解决。他最近与加州理工学院帕萨迪纳分校的物理学家约翰·普雷斯基尔（John Preskill）合作发表综述文章，系统梳理了这些尚存的技术瓶颈。

但即便如此，他和许多同行也已经明显修正了此前更为保守的判断。

中国科学技术大学的量子计算研究人员陆朝阳表示，他目前的最佳判断是，全面的容错量子计算大约会在2035年前后实现。

21.

十年之内，已不再是异想天开

几年前，如果有人提出“量子计算在十年内迎来实用突破”，这样的说法很可能会被轻易否定。

而如今，这种预期正在成为新的常态。

一系列看似分散、却彼此叠加的进展——从量子纠错阈值的突破，到量子门保真度的“九个九”，再到材料、芯片与系统工程层面的革新——正在共同指向一个结论：

量子计算，正从一项长期承诺，转变为一个可以被认真规划的工程目标。

参考资料：

"Mind the gaps: The fraught road to quantum advantage" Eisert, J. & Preskill, J. Preprint at arXiv (2025). https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.19928

本文头图来自「量子号」