《自然》：量子计算突破临界点：十年内或终结古典密码时代

信息来源：https://www.nature.com/articles/d41586-026-00312-6

量子计算机不再是遥不可及的科幻概念。过去两年里，这个领域的技术突破速度之快，连业内研究者自己都感到惊讶。

普林斯顿大学实验量子物理学家娜塔莉・德莱昂用 “氛围转变” 来形容当前的状况。原本认为需要几十年才能实现的目标，现在看来可能在十年内就会到来。希伯来大学计算机科学家多丽特・阿哈罗诺夫更加直言：“我们进入了一个新时代。”

这种乐观情绪并非空穴来风。谷歌、Quantinuum、哈佛大学 QuEra 团队，以及中国科技大学，四支顶尖研究团队在过去一年相继攻克了量子纠错这个核心难题。他们证明了量子计算的最大敌人，即错误率问题，终于有了可行的解决方案。

从不可能到可能的跨越

量子计算的原理听起来很美好。传统计算机的比特只能是 0 或 1，而量子比特可以同时处于两种状态的叠加，就像一枚旋转中的硬币，落地前既是正面也是反面。更神奇的是，多个量子比特可以纠缠在一起，形成指数级增长的计算能力。

卢朝阳是预计2035年将拥有容错量子计算机的人之一。图片来源：Dave Tacon，《自然》

但现实很残酷。量子态极其脆弱，稍有干扰就会崩塌。每次对量子比特的操作都会引入误差，就像用颤抖的手拧螺丝，永远无法完全精准。这些误差会不断累积，最终让计算结果变成一堆无意义的随机数字。

量子纠错技术提供了解决之道。其基本思路是将一个逻辑量子比特的信息分散存储在多个物理量子比特上，就像用冗余备份保护数据一样。通过持续监测和校正，可以在误差扩散前将其消除。

理论上这套方案在 1990 年代就被证明可行，但有个致命前提：每次纠错操作本身的错误率必须低于某个阈值。这个要求如此苛刻，以至于很多人怀疑它在现实中根本无法达到。

直到去年，谷歌、Quantinuum、QuEra 和中国科大相继证明他们的系统跨越了这个阈值。谷歌使用超导回路，将电子冷却到接近绝对零度。Quantinuum 用电磁场捕获单个离子。QuEra 则用激光束作为 “光镊” 操控中性原子。尽管技术路线各不相同，但他们都实现了同一个里程碑：纠错操作反而降低了总体错误率。

这意味着理论上可以通过不断增加物理量子比特数量，将错误率压低到任意程度。容错量子计算从数学猜想变成了工程问题。

数字游戏的突破

然而新问题随之而来。早期估算显示，每个逻辑量子比特需要 1000 个物理量子比特来支撑，而完成有实用价值的任务，比如分解大整数，可能需要数十亿个物理量子比特。目前最大的量子计算机也就几千个量子比特，这个差距让人绝望。

但过去五年，情况发生了戏剧性变化。通过改进算法和更巧妙的编码方案，研究人员将所需物理量子比特数量每年削减一个数量级。谷歌研究员克雷格・吉德尼去年展示的方案，将分解大数所需的量子比特从 2000 万降到了 100 万。他的秘诀之一是将量子门操作排列成复杂的三维几何结构，最大化利用每个量子比特。

安德鲁·霍克（如图）、娜塔莉·德莱昂及其普林斯顿大学的同事开发了一项能够使量子计算更精确的技术。图片来源：Matt Raspanti/普林斯顿大学

更激进的方法还在涌现。IBM 开发的新型纠错码承诺将开销从 1000 比 1 降低到 100 比 1。QuEra 利用其中性原子平台的独特优势，可以灵活移动和纠缠量子比特，也在朝着同样的目标努力。创始人米哈伊尔・卢金表示，他们的双量子比特门保真度已达 99.5%，目标是提升到 99.9%。

与此同时，硬件本身也在快速改进。德莱昂团队通过精密测量找出了超导量子比特的主要噪声源，然后用钽代替铝，用硅代替蓝宝石作为基底材料。这些看似简单的改变将量子比特寿命从 0.1 毫秒延长到 1.68 毫秒，提升了 16 倍。她相信还能进一步提升到 10 至 15 毫秒。

柏林自由大学物理学家延斯・艾泽特直言，如果未来几年物理量子比特开销没有继续大幅下降，他会感到惊讶。

密码学的末日倒计时

这些技术进展正在重塑量子计算的时间表。破解互联网加密系统所需的量子计算机，曾被认为至少还需要 30 年。现在越来越多专家相信，这个时刻可能在 2035 年前到达。

这不是危言耸听。现代互联网加密依赖于大整数分解的困难性。经典计算机需要数千年才能破解的密码，量子计算机理论上可以在几小时内攻破。一旦容错量子计算机问世，从银行交易到政府通信的所有加密数据都将变得透明。

好消息是，密码学家已经在开发抗量子攻击的新算法。美国国家标准与技术研究院已经公布了首批 “后量子密码” 标准。各国政府和企业正在为这场迁移做准备，但时间窗口正在快速缩小。

代尔夫特理工大学理论物理学家芭芭拉・特哈尔提醒说，量子纠错理论虽然进展迅速，但复杂的编码方案也会让量子门操作变得更加困难。这个领域仍充满挑战，但方向已经明确。

从怀疑到希望，量子计算用不到两年时间完成了态度转变。接下来的十年，才是真正见证奇迹的时刻。