下一代量子计算机即将触达实用门槛

量子计算产业的目标是建造功能强大、能够解决经典计算机无法攻克的大规模科学与工业问题的实用机器。这一目标在2026年尚无法实现。事实上，科学家们自20世纪80年代起一直在攻关这一课题，其难度之大不言而喻。

2025年10月，量子计算初创公司QuEra首席商务官尤瓦尔·博格（Yuval Boger）在纽约举行的Q+AI大会上表示：“如果有人说量子计算机如今已经实现了商用，我只能说，我也想拥有这样的东西。”

由于目标高远，追踪进展并非易事。为了规划通往真正颠覆性量子技术的路线图并标记里程碑，微软量子研究团队提出了一套全新框架。

该框架将量子计算发展划分为3个层级：第一层级涵盖了当前已有的设备，即所谓的有噪声中型量子计算机，这类计算机包含约1000个量子比特，但存在噪声干扰且易出错；第二层级包括实施了某个能稳健检测和纠正量子比特错误的协议（这类协议很多）的小型机器；第三层级即最终阶段，代表着具备纠错功能的大规模量子计算机，这类计算机包含数十万乃至数百万量子比特，能够执行数百万次量子运算，并具有高保真度。

如果你认可这一框架，2026年将成为客户用上第二层级量子计算机的关键一年。“我们对2026年充满期待，因为过去多年积累的研究成果即将迎来收获期。”微软量子计算副总裁斯里尼瓦斯·普拉萨德·苏加萨尼（Srinivas Prasad Sugasani）表示。

微软正与初创公司Atom Computing合作，计划向丹麦出口与投资基金以及诺和诺德基金会交付具备纠错功能的量子计算机。“该设备应致力于建立科学优势，虽然还不是商业优势，但这是未来的方向。”苏加萨尼表示。

QuEra也已向日本产业技术综合研究所（AIST）交付了一台可纠错的量子设备，并计划于2026年向全球客户出货。

可以说，当前量子计算机的主要问题在于它容易出现噪声。量子比特天生脆弱，对所有种类的环境因素都极度敏感，包括电场或磁场、机械振动，甚至宇宙射线。虽然有人认为有噪声的量子设备也具有实用价值，但人们的共识是，要实现真正颠覆性的应用，量子计算机必须具备纠错能力。

要让经典信息具备抗干扰能力，只需进行多次重复即可。假设你需要通过有噪声的信道发送比特0，传输过程中0可能翻转为1，导致沟通错误。而如果连续发送3个0，即使其中一个发生翻转，接收方仍能辨识出你想要发送的是0。

不过，简单的重复策略对量子比特无效，因为它们不能被复制粘贴。但仍有一些方法可将单个量子比特承载的信息编码至多个物理量子比特，从而增强其稳健性。这类编码单个量子比特信息量的物理量子比特组称为逻辑量子比特。信息被编码至逻辑量子比特后，在计算推进并产生错误时，纠错算法便能解析出发生了什么错误以及原始信息是什么。

仅创建逻辑量子比特还不够，必须通过实验证明逻辑量子比特中的编码信息确实能降低错误率并提升计算质量。早在2023年，QuEra团队与哈佛大学、麻省理工学院及马里兰大学的研究者就合作证实，借助逻辑量子比特执行的量子运算优于未经处理的物理量子比特。2024年，微软和Atom Computing团队也得出了同样的结论。

2026年，这些科学进步将惠及客户。微软与Atom Computing联合开发的Magne量子计算机将搭载50个逻辑量子比特（由约1200个物理量子比特构成），预计2027年初投入运行。博格透露，QuEra向日本产业技术综合研究所交付的设备拥有约37个逻辑量子比特（具体数量因实施方案而异）和260个物理量子比特。

上述两款第二层级的量子计算机均采用同样的量子比特（中性原子），这或许并非巧合。传统计算世界早已选定晶体管作为基础器件，而量子计算领域尚未挑选出完美的量子比特，可能是超导量子比特（IBM、谷歌等公司使用）、光量子比特（PsiQuantum、Xanadu等机构使用）、离子阱量子比特（IonQ、Quantinuum等公司开发），或是其他类型。

这些方案各有利弊，但首批纠错量子计算机中有一部分选择中性原子确有缘由。为了共享信息，构成逻辑量子比特的物理量子比特需要彼此紧密相邻或者以某种方式连接。与之不同的是，超导量子比特印制在芯片上，任意两个原子量子比特均可被放置在紧靠彼此的位置（离子阱量子比特也有这一优势）。

“中性原子可以移动。”QuEra的博格指出，“因此我们能够构建静态量子比特无法实现的纠错方案。”

中性原子量子计算机包括一个真空腔。在腔内，原子气体被冷却至接近绝对零度，随后通过一种名为“光镊”的技术，单个原子被高度聚焦的激光束捕获、固定，甚至移动。每个原子是一个物理量子比特，这些量子比特可排列成二维乃至三维阵列。

计算本身（即“量子门”序列）通过用另一束激光照射这些原子来实现，且需要以精确编排的方式照亮原子。除可操控性外，中性原子方案还有并行优势，同一激光脉冲可同时照射多对原子，从而对每对原子同步执行相同运算。

中性原子量子比特的主要短板在于运算速度较慢。IBM Quantum量子系统总监杰里·周（Jerry Chow）指出，原子系统的计算速度约为超导量子比特系统计算速度的百分之一至千分之一。

不过，博格认为这种速度劣势可以弥补。“由于中性原子的独特性能，我们已证明可以将速度提升到先前认知的50倍至100倍。”他援引QuEra与哈佛大学、耶鲁大学近期的合作研究称，“我们认为，在比较所谓的求解时间时，不仅要考虑时钟频率，更要考虑得出有效结果所需的时长……目前中性原子方案可以媲美超导量子比特。”虽然中性原子方案每个运算的速度较慢，但它可以并行执行多个运算，且纠错所需的操作步骤更少，从而可实现整体加速。

微软提出的三层级框架并未被业界普遍接受。

“我认为这类分级框架……是典型的以物理设备为中心的视角，而我们更应该从计算视角进行审视，即这些电路究竟有什么作用？”IBM的杰里·周说。

杰里·周主张，尽管具备纠错功能的大型量子计算机是我们的终极目标，但这并不意味着必须首先实现纠错功能。相反，IBM团队正聚焦于发掘现有机器的应用场景，并在此过程中采用其他错误抑制策略，同时致力于在2029年实现能充分纠错的量子计算机。

无论你是否认同该框架，QuEra、微软和Atom Computing团队对中性原子方案实现大规模设备的潜力均持乐观态度。“如果只能选择一个词，那肯定是可扩展性，这是中性原子的核心优势。”Atom Computing首席产品官贾斯汀·金（Justin Ging）表示。

QuEra和Atom Computing团队均表示，预计未来数年内可让单个真空腔容纳10万个原子，这为实现第三层级的量子计算指出了明确的路径。

作者：Dina Genkina

IEEE Spectrum

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