作者：亚当·贝克尔

　　量子计算领域正处于关乎成败的关键时刻，未来随着继续扩大规模，它有望改变世界，但与此同时，人们也始终质疑它具有多大潜力。

　　2025年在英伟达GPU技术大会上展出了里盖蒂计算公司研发的超导量子计算机。

　　在美国旧金山湾东南角附近的一个办公园区里，一栋低矮建筑内，一组白色储罐正沐浴在蓝光之下。这些储罐内装有一枚枚蚀刻着超导电路阵列的芯片，芯片由金色、形似吊灯的结构支撑和固定，并依靠液氦和液氮冷却。这些超导芯片就产自隔壁的洁净室——在那里，身穿白色防护服的工作人员操作着占据整间房间的大型设备，四周环绕着通风柜和酸浴槽。整座设施，包括芯片、储罐、洁净室以及建筑后方庞大的液氮储备，都服务于同一个梦想：量子计算机。

　　这里是量子计算公司里盖蒂计算的主要制造工厂，位于美国加利福尼亚州伯克利。而这些制冷罐里放置的正是该公司最先进的量子处理单元。专家希望，有朝一日，量子计算机能在特定类型的计算任务上，达到比经典计算机快几个数量级的运算速度。“我们说的是把速度提升百万倍甚至十亿倍，同时能耗仅有经典计算机的一小部分，”里盖蒂计算的首席执行官苏博德·库尔卡尼解释道，“这正是量子计算的魅力所在，它有望解决那些目前我们还无能为力的问题。”

　　位于美国纽约州约克镇高地的IBM托马斯·沃森研究中心的模块化量子计算机：IBM量子系统2

　　里盖蒂计算只是众多试图抓住量子计算机遇的企业之一。过去20年里，无论是里盖蒂计算这类初创公司，还是IBM、谷歌这样的科技巨头，都在争先恐后地押注量子计算。仅2023年，风险投资机构投向这一领域的资本就高达12亿美元。与此同时，世界各地的高校和政府研究机构也都将量子计算视为重要研究方向。所有参与者都在追逐同一个梦想，但他们想象中的未来却不尽相同。例如，风险投资人和其他兜售硅谷技术神话的人宣称，量子计算将推动人工智能飞速发展，人工智能反过来也将加速量子计算机的研发——不少专家对此持怀疑态度。库尔卡尼等人则认为，量子计算机将彻底改变药物研发、天气预报和金融行业。而各国政府看重的是量子计算机破解经典计算机难以攻破的密码的能力。

　　但目前，这一切仍停留在畅想阶段。量子计算正处于决定成败的关键时刻：科学家希望在未来几十年内，将量子系统扩展到足以取得真正突破的规模，并最终在实用任务中超越经典计算机。如果能实现这一目标，量子计算机或许将真正从多个层面改变世界。然而，在克服前路的重重阻碍之前，量子计算机究竟拥有多大的潜力，仍然是未知数。

　　“莫赛克”（MosaiQ）是由法国量子计算公司宽德拉（Quandela）开发的光量子计算机。

　　校准定义

　　究竟什么是量子计算机？最直接的定义或许是“基于量子物理原理运行的计算机”。但这种说法并不严谨——量子物理学支配着所有物质的行为，从这一角度出发，所有计算机都可以被视为量子计算机。同样地，仅仅将量子计算机定义为“在运行中利用量子现象的计算机”，也不够准确。事实上，目前几乎所有计算机都依赖硅晶体管运行，而要真正理解硅晶体管的工作原理，也离不开量子物理学。

　　要想真正理解量子计算机的“量子”特性，以及它们为何如此难以制造，我们需要从薛定谔的猫谈起。20世纪30年代，量子力学奠基人之一埃尔温·薛定谔提出了这个著名的思想实验：一只猫被密封在盒子里，盒内还有一块放射性金属、一瓶毒药，以及一个检测装置——一旦检测到金属释放辐射，该装置就会打碎毒药瓶，杀死这只猫。

位于德国斯图加特的量安特公司一款搭载光子芯片的量子处理器

　　根据量子物理学原理，如果将盒子密封一定时间，这块金属有50%的概率释放辐射。但关键在于，在有人测量辐射之前，这块金属处于一种叠加态：既已释放辐射，又没有释放辐射。这意味着，那瓶毒药也处于“被打碎”与“完好无损”的叠加态之中。因此，在你打开盒子查看猫的状态之前，它也将一直处于“生”和“死”的叠加态中。

　　现在想象一下，也许出于对这只可怜小家伙的担忧，你稍微提前打开了盒子。就在你即将打开盒子的前一刻，猫仍然处于“生”和“死”的叠加态，只不过此时由于等待时间较短，叠加态中“生”的概率略高于“死”的概率。理论上，通过改变等待时间，你可以将那只猫置于任何你想要的叠加态中，改变“生”与“死”这两种结果出现的概率比例。

　　这种可调控的叠加态，正是量子计算机之所以“量子”的关键。经典计算机依靠晶体管进行计算，其基本信息单元比特只能处于两种状态之一：0或1。而量子计算机使用的是量子比特（也称量子位）。与经典比特相比，量子比特拥有更多的状态选择，就像薛定谔的猫一样，它可以处于0和1的任意叠加态。

　　量子比特与这只不幸的猫还有另一个共同点。当薛定谔的猫被困在盒子里时，它会与盒子里的其他物体发生“纠缠”，这意味着猫的量子态与金属块、检测装置和毒药的量子态绑定在一起。类似的，量子计算机在进行计算时，也必须让量子比特之间相互纠缠。不同的是，猫和盒子里其他物体之间的纠缠并不受控，而量子计算机必须严格控制量子比特之间的纠缠，包括哪些量子比特处于纠缠状态、它们纠缠到什么程度以及以何种方式纠缠。

　　量子比特之间可控纠缠的组合，使得量子计算机有望完成经典计算机难以完成的任务——至少在理论上如此。对于规模足够大的量子计算机，最受瞩目的潜力之一就是能够利用一种名为“肖尔算法”的技术，以远超经典计算机的速度对大数进行因数分解。这种算法以美国麻省理工学院理论计算机科学家彼得·肖尔的名字命名，他于1994年提出了这套算法。

　　“更快”这个说法或许有些轻描淡写：利用肖尔算法，量子计算机理论上只需几天就能分解经典超级计算机需要数百万年才能分解的大数。这种速度惊人的算法听起来像是个小众应用，但经典计算机分解大数极其耗时这一事实，正是现代大多数加密技术（尤其是网络加密）的重要基础。因此，量子计算机不仅可能成为强大的密码破译工具，甚至有可能攻破支撑整个互联网的加密体系。毫不意外，推动研发量子计算机已成为世界各国政府安全机构的优先任务。

　　量子计算机或许还能利用其对量子比特的强大控制能力，以前所未有的精度模拟自然。例如，量子计算机可能以经典计算机难以企及的精度模拟原子和分子的相互作用，因为经典计算机缺乏自然界的“量子性”，而这些系统本身就遵循量子规律。这样的能力有望为基础物理学和化学带来突破，并在材料科学、药物研发等应用研究领域产生深远影响。此外，包括库尔卡尼在内的一些人认为，在解决某些常见问题上，量子计算机也可能比经典计算机表现得更好，例如模拟金融市场和地球气候。

　　最佳路线

　　然而，这里存在一个问题。薛定谔的猫无需刻意控制，就能与盒子里的其他物体产生纠缠——只要物体之间存在任何形式的相互作用，纠缠就可能自然而然地发生。例如，此刻，你也在与周围的空气、你站立的地面，以及正在阅读这些文字的屏幕或杂志发生某种程度的量子纠缠。对于量子系统而言，这种与环境无法避免的相互作用，会让原本脆弱的量子态迅速失去可观测的量子性，这一过程也被称为“退相干”。

　　退相干对量子处理器计算能力的影响是致命的。为了让量子处理器保持对量子比特及其纠缠关系的关键控制，它必须在运行过程中尽可能与外界隔绝。同时，它还必须精确控制自身量子比特的所有原子组件之间的物理相互作用。即使这种控制只需维持极短的一瞬间（可能只有几分之一秒），也绝非易事。防止量子计算机内部组件之间发生不必要的相互作用，正是科学家和工程师在开发规模更大、性能更强的量子计算机系统时，必须跨越的关键障碍之一。研究人员采用的一种主要策略是让量子计算机处于极低温环境中，因为热量——即粒子的随机运动——也会产生非预期的纠缠，从而破坏量子态。

　　这一挑战指向了量子计算领域最大的未解之谜：制造量子比特的最佳方法是什么？在经典计算机中，比特通过改变固态芯片上微小电子门的电压，或调整硬盘盘片上的磁畴来实现。控制这些比特已经困难重重，但量子比特需要更精细的控制：为了执行计算，量子计算机必须能够将量子比特置于特定的初始量子态，再通过一系列量子逻辑门控制它们之间的纠缠，同时还要确保它们尽可能与环境隔绝，并防止它们彼此之间或与量子计算机的其他组件发生非预期的相互作用。

　　自20世纪80年代量子计算机概念被首次提出后的多年里，一些专家都怀疑它们能否真正被制造出来。但在过去20年里，科学家已成功研制出可运行的量子计算机，尽管它们规模仍然有限，通常只有不到上千个量子比特。这些机器目前正处于起步阶段，目前只能在小型示例问题上演示肖尔算法或量子模拟这类有趣的计算，距离真正实用还有很远。要将它们扩展到更实用的规模，意味着必须找到最佳的实现路径。

　　量子比特可以由多种不同的物理系统构成，研究人员也设计了多种可能的架构，但始终未能就最佳方案达成共识。“构建量子比特的方法有很多，每个人都认为自己的方法是最好的。”美国马里兰大学联合量子研究所的物理学家阿莱娜·格林表示。

　　目前两种主流的量子比特方案是超导电路和囚禁原子或离子。前者是由铝或钽等超导材料制成的微型电子电路，在超低温下电阻为零。超导方案的优势在于可以利用现有计算机芯片制造技术的改进版本来构建，且运行速度快。但这种方案也存在缺点：超导芯片是包含数十万亿亿个原子的宏观电路，即使在接近绝对零度的超低温，它的量子态依然更容易受材料缺陷和环境噪声影响，导致相干时间通常只有数十至数百微秒。

　　另一种备受青睐的方案是利用单个原子构建量子比特，其优势正好弥补了超导方案的不足：当系统只涉及一个原子时，更容易避免退相干。由囚禁原子或离子构成的量子比特，每次可保持相干状态数秒甚至数分钟之久。但单个原子的操作速度较慢，而且工程师无法沿用传统计算机芯片成熟的制造工艺。因此，至少就目前而言，这两类量子比特在退相干前能够执行的计算量大致相当。尽管当今最强大的量子计算机使用的是超导量子比特，但原子和离子方案也与其相差不远。

　　归根结底，量子计算机若想兑现其承诺，还必须找到办法在一定程度上容忍控制过程中的失误。因为退相干以及其他不受欢迎的量子效应，都会导致错误不可避免地渗入量子计算过程中。虽然无法完全阻止退相干，但可以借助理论量子计算中的另一项著名成果——量子纠错——来补偿量子计算机内部的部分错误。令人称奇的是，在特定条件下，这一过程能够检测并纠正量子比特状态中的错误，同时又不完全破坏其叠加态或与其他量子比特之间的纠缠——这就像在不完全打开盒子的情况下，改变薛定谔的猫的“生”“死”混合比例一样。

　　量子纠错码的存在，使量子比特所需的高可靠性更有可能实现，从而为运行肖尔算法和执行其他复杂的量子计算任务奠定了基础。但这种纠错的过程并非没有代价。量子纠错的原理是将一组量子比特组合成“逻辑量子比特”：用许多真实的物理量子比特来编码一个逻辑量子比特，在其中构建一种量子冗余，进而减小单个物理量子比特出错造成的影响。为了使纠错有效，每个逻辑量子比特需由大量物理量子比特组成——大约数十到上千个。若要运行肖尔算法来解决实际问题，或运行其他具有实用价值的应用，一台量子计算机需要数千个逻辑量子比特。也就是说，为了让量子计算机兑现人们期待的潜力，可能需要将目前仅有几百个物理量子比特的系统，扩展到拥有数百万个量子比特的规模，同时还要能精确控制这些量子比特之间的纠缠。

　　不过，最近的一些突破让研究人员看到了希望：实现量子纠错的物理量子比特的数量或许可以大幅减少。在一项最新研究中，美国加州理工学院和量子计算初创公司奥原子的研究人员提出了一种量子纠错方法，该方法中每个逻辑量子比特仅需对应5个物理量子比特，从而将肖尔算法的实现门槛降低到了大约1万个物理量子比特。这项研究尚未经过同行评审，但如果结果成立，能够运行肖尔算法的量子计算机或许会比预期更早成为现实。

　　即便如此，该领域面临的核心问题依然没有得到解答：量子计算机究竟需要多久才能发展到具有实用价值？尽管过去60年来，经典计算机性能在遵循摩尔定律快速增长(该定律以英特尔公司联合创始人戈登·摩尔的名字命名，指出芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番)，但没有人能保证量子计算机会遵循同样的指数增长趋势。摩尔定律并非真正的自然界法则，而退相干的必然性却客观存在。

　　发展走向

　　人们如此关注肖尔算法，并不只是因为它关乎密码学和国家安全，它也是目前能明确显示量子计算相比经典计算具有优越性的最著名的算法之一。“人们一直在寻找类似的其他算法，但至今仍一无所获，”格林说，“真的，一个都没有。”设计量子算法本身就很难，证明这些算法显著优于现有的非量子算法也同样困难，而要证明它们优于任何可能设想出来的非量子算法，通常更是极其困难，甚至近乎不可能。

　　科学家对量子计算潜力最乐观的期待是利用量子计算机模拟自然界的量子特性。“最初提出量子计算机，正是因为人们想到可以用它来模拟量子系统。”美国加利福尼亚大学伯克利分校的量子计算机科学家埃文·唐表示。但即便在这一领域，量子计算机也可能无法胜过经典计算机。“关于如何利用量子计算机获得可证明的量子优势，目前还没有多少切实可行的计划。”唐说。格林对此表示赞同。“遗憾的是，要证明量子模拟必然能超越经典计算是很难的，”她说，“但我们对此抱有信心。”

　　即使量子计算机确实更擅长模拟某些量子系统，同时科学家能设计出更多像肖尔算法一样能在已知经典算法面前展现出明显优势的算法，可在大多数任务里，量子计算机仍然无法胜过经典计算机。“认为量子计算机做任何事都能比经典计算机更快是错误的，”麻省理工学院电气工程、计算机科学与物理学教授威廉·奥利弗说。他也是一家量子计算初创公司的联合创始人，该公司近期刚被谷歌收购。“根据我们目前的理解，只有某些具有特定内部结构的问题，才能让量子计算机发挥量子性的优势。”

　　在最理想的情况下，量子计算机将成为解决特定类型挑战的专用设备。它们很可能将在数据中心或超级计算集群中与经典计算机协同工作——但不会被微型化后装进我们的手机里。“人们的日常工作恰恰不是量子计算擅长的领域。”格林说。30年后，你家药柜里或许会有某种处方药，它是通过运行在量子计算机上的模型研发出来的。但几乎可以肯定，你不会拥有一台属于自己的量子计算机。

　　尽管量子计算领域仍充满不确定性，商业界却并未停止对这项技术的经济前景做出预测。美国波士顿咨询集团曾在2024年预测，到2040年，量子计算机有望在全球创造4500亿至8500亿美元的经济价值。“短期内阻碍量子计算发展的因素……不会威胁到该技术或市场的长期发展。”报告作者声称。不过，该机构也承认，当初在2021年基于量子硬件和软件进步做出的价值创造预测过于“乐观”。

　　关于量子计算的发展前景，这种自信满满的预测很难让人完全当真。原因恰恰在于，尽管量子计算领域已取得了诸多进展，但它仍处于起步阶段，且充满未知。“量子计算是真实的，它正在发展，但它需要时间，”奥利弗说，“其中既需要工程上的努力，也需要解决科学问题，现在还远没有尘埃落定。”他估计，大约20年后，我们可能会拥有更大规模的量子计算机。“无论具体时间表如何，我们都会利用它们从科学角度更好地理解我们的世界。”

　　当我问格林，她预计性能优良的量子计算机何时能成为现实时，她的回答非常直截了当：“我不知道，也不愿做出预测，如果你能找到哪怕一位愿意预测的物理学家，我都会感到非常惊讶。”尽管如此，无论那一天何时到来，她都对此充满期待。“有一类问题……我们永远不可能用经典计算机解决，”她说，“对我而言，量子计算最具前景的应用，就在于它有望解决这些问题。”

　　事实上，我们无从预测量子计算机的未来走向——任何能做出笃定预言的人，多半是另有所图。但我们确信，这个面临诸多迷人科学挑战的领域，正迸发着无穷的魅力。

　　（本版图文均由《环球科学》杂志社供稿）

　　《光明日报》（2026年09月24日 14版）