當(dāng)我們?cè)谏掀欣斫饬顺瑢?dǎo)量子計(jì)算機(jī)如何利用“人造原子”進(jìn)行運(yùn)算后，一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題擺在面前：這臺(tái)精密的“量子樂(lè)器”何時(shí)才能奏響變革世界的交響曲？

在2025年這個(gè)“國(guó)際量子年”，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)呼應(yīng)了這一浪潮，將其殊榮授予了推動(dòng)超導(dǎo)量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵突破。這恰逢其時(shí)的認(rèn)可，標(biāo)志著超導(dǎo)量子計(jì)算正在經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)室奇跡到產(chǎn)業(yè)力量的深刻轉(zhuǎn)變。

圖1 2025年“國(guó)際量子年”的官方宣傳圖

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

01 機(jī)遇與挑戰(zhàn)：在優(yōu)勢(shì)與瓶頸間尋找平衡

想象一下，在指甲蓋大小的芯片上建造一座“超級(jí)城市”，城中的“居民”是數(shù)百個(gè)量子比特。這就是超導(dǎo)量子計(jì)算創(chuàng)造的奇跡——指尖上的超算中心。

為何這條技術(shù)路線備受青睞？三大優(yōu)勢(shì)讓它脫穎而出：

1) 首先是驚人的算力密度。超導(dǎo)量子邏輯門的操作速度達(dá)到納秒級(jí)別，比經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算節(jié)奏快了數(shù)個(gè)量級(jí)。這意味著在執(zhí)行復(fù)雜量子算法時(shí)，它能在極短時(shí)間內(nèi)完成海量操作。

2) 其次是與半導(dǎo)體工業(yè)的完美契合。制造超導(dǎo)量子芯片的工藝與現(xiàn)有的半導(dǎo)體微加工技術(shù)兼容，讓我們能夠站在巨人肩膀上，快速推進(jìn)量子芯片的規(guī)模化生產(chǎn)。就像用已經(jīng)成熟的高速公路網(wǎng)絡(luò)來(lái)建設(shè)新的交通樞紐，大大降低了工程難度。

3) 最后是成熟的電子測(cè)控生態(tài)。超導(dǎo)量子計(jì)算所需的微波控制、低溫電子學(xué)等技術(shù)，與經(jīng)典電子信息產(chǎn)業(yè)高度重合。這意味著我們不必從零開始構(gòu)建整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，顯著降低了技術(shù)轉(zhuǎn)化的門檻。

然而，這條通往未來(lái)的道路依然布滿荊棘。三大挑戰(zhàn)如同“三座大山”，考驗(yàn)著研究者的智慧：

1) 這臺(tái)“超級(jí)冰柜”的沉重負(fù)擔(dān)是最直觀的挑戰(zhàn)。維持10至15毫開爾文的極低溫環(huán)境需要復(fù)雜的大型稀釋制冷系統(tǒng)，隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，制冷需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這就像要為一座不斷擴(kuò)張的城市維持絕對(duì)的“寂靜”，其難度可想而知。

2) 量子比特的“保鮮期”問(wèn)題更為棘手。這些嬌貴的量子比特只能在幾十到幾百微秒內(nèi)保持其量子特性，任何細(xì)微的環(huán)境噪聲——從電磁波動(dòng)到材料缺陷的振動(dòng)——都可能讓量子比特失去它獨(dú)特的量子特性。

3) 除此之外，“完美雪花”的制造難題同樣不容小覷。由于制備工藝的微觀波動(dòng)，每個(gè)量子比特的性能都存在細(xì)微差異，就像世界上沒(méi)有兩片完全相同的雪花。這種非均勻性導(dǎo)致每個(gè)量子比特都需要個(gè)性化定制的控制脈沖，極大地增加了系統(tǒng)校準(zhǔn)的復(fù)雜度。

02 全球進(jìn)展：多元并進(jìn)的產(chǎn)業(yè)圖景

在全球范圍內(nèi)，超導(dǎo)量子計(jì)算正沿著多元化的技術(shù)路徑蓬勃發(fā)展。以谷歌、IBM和中國(guó)主要團(tuán)隊(duì)為代表的領(lǐng)先力量，分別在高保真硬件與糾錯(cuò)算法、系統(tǒng)規(guī)?；c全棧云平臺(tái)生態(tài)、以及比特?cái)?shù)量與自主產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)上形成了獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)力，共同推動(dòng)著整個(gè)領(lǐng)域向前邁進(jìn)。

谷歌：從概念驗(yàn)證到糾錯(cuò)攻堅(jiān)的前沿探索者

谷歌的里程碑式進(jìn)展始于2019年，其53比特“懸鈴木”處理器在特定任務(wù)上實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。這一成就驗(yàn)證了量子計(jì)算的巨大潛力，也展現(xiàn)了谷歌的兩大核心優(yōu)勢(shì)：極高的硬件保真度與前沿的糾錯(cuò)算法。

所謂硬件保真度，直接關(guān)系到量子比特的“保鮮期”，保真度越高，“保鮮”越久，計(jì)算越可靠。而在算法層面，谷歌開發(fā)的Alpha Qubit智能解碼器，巧妙地利用了大家所熟知的人工智能（AI）：通過(guò)強(qiáng)大的算法處理海量診斷數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修正量子錯(cuò)誤，如同一位擁有高超醫(yī)術(shù)的“量子醫(yī)生”。這標(biāo)志著“AI for Science”正成為解決量子糾錯(cuò)這一核心挑戰(zhàn)的利器。

IBM：系統(tǒng)布局的“藍(lán)圖繪制者”

與谷歌聚焦前沿糾錯(cuò)的策略不同，IBM的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)工程的規(guī)?；芰εc全棧生態(tài)的構(gòu)建，這直接應(yīng)對(duì)了前文所述“量子比特?cái)?shù)量增加”與“系統(tǒng)校準(zhǔn)復(fù)雜度高”的挑戰(zhàn)。

IBM通過(guò)“鷹”、“禿鷲”等系列處理器的迭代，系統(tǒng)性地攻克量子比特規(guī)?；芍械墓こ屉y題。同時(shí)，他們構(gòu)建了從硬件、軟件到云平臺(tái)的完整量子生態(tài)系統(tǒng)，讓用戶無(wú)需深究復(fù)雜的極低溫測(cè)控系統(tǒng)，即可通過(guò)云端訪問(wèn)量子算力。其明確的路線圖——計(jì)劃在2029年推出擁有200個(gè)邏輯量子比特的實(shí)用化系統(tǒng)，正是這種系統(tǒng)工程思想的體現(xiàn)，為整個(gè)產(chǎn)業(yè)界指明了邁向大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算的可行路徑。

圖2 IBM的發(fā)展路線圖

 中國(guó)力量：持續(xù)突破的重要貢獻(xiàn)者

中國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)步令人矚目。從2021年的62比特“祖沖之號(hào)”實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，到2025年初的105比特“祖沖之三號(hào)”，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)用扎實(shí)的技術(shù)積累證明了自身的實(shí)力。

“祖沖之三號(hào)”在多項(xiàng)目關(guān)鍵性能指標(biāo)上已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這些突破性的成果，不僅是中國(guó)科研實(shí)力的體現(xiàn)，也為全球超導(dǎo)量子計(jì)算的研究提供了有價(jià)值的參考與技術(shù)路徑，注入了新的發(fā)展動(dòng)能。

圖3 “祖沖之”號(hào)量子計(jì)算原型機(jī)（圖片來(lái)源：安徽新聞聯(lián)播視頻截圖）

03 未來(lái)之路：從專用突破到通用愿景

站在2025年這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，超導(dǎo)量子計(jì)算的未來(lái)發(fā)展路徑正變得越來(lái)越清晰。

在近期（未來(lái)2-3年），我們將看到量子計(jì)算在專用領(lǐng)域的突破。就像早期的計(jì)算機(jī)主要服務(wù)于特定科學(xué)計(jì)算一樣，量子計(jì)算機(jī)將首先在密碼分析、藥物篩選、材料模擬等特定問(wèn)題上展現(xiàn)其獨(dú)特價(jià)值。

中期（5-10年）的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)含噪聲中等規(guī)模量子計(jì)算的應(yīng)用。這個(gè)階段的量子處理器能夠處理更復(fù)雜的問(wèn)題，但仍需要與經(jīng)典計(jì)算機(jī)協(xié)同工作，共同解決實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)期的愿景無(wú)疑是構(gòu)建通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。這需要量子比特?cái)?shù)量的顯著提升和錯(cuò)誤率的大幅降低，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算全部潛力的終極目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

在“國(guó)際量子年”的榮光與諾獎(jiǎng)的激勵(lì)下，超導(dǎo)量子計(jì)算正站在歷史的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這條道路既充滿希望，也布滿挑戰(zhàn)——我們需要在極低溫環(huán)境下馴服脆弱的量子態(tài)，在原子尺度上實(shí)現(xiàn)工程學(xué)奇跡。

然而，其意義遠(yuǎn)不止于算力的突破，更標(biāo)志著一場(chǎng)計(jì)算范式的根本轉(zhuǎn)變。正如量子力學(xué)在近百年前將人類認(rèn)知從宏觀世界推向微觀法則，徹底改變了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解；今天，超導(dǎo)量子計(jì)算正在書寫的，是一部將人類認(rèn)知推向更深層次的壯麗詩(shī)篇。在這場(chǎng)跨越極寒與噪聲的征程中，每一步突破不僅是在為全新的計(jì)算時(shí)代奠基，更是在為人類探索未知世界點(diǎn)亮一盞新的明燈。

參考文獻(xiàn)

[1] （“懸鈴木”超導(dǎo)處理器在特定任務(wù)上實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”）Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

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[4] （“祖沖之三號(hào)”進(jìn)一步刷新了超導(dǎo)量子計(jì)算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄）Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

作者：欒春陽(yáng) 清華大學(xué)物理系博士

王雨桐 清華大學(xué)物理系博士

審核：黨蕾 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所高級(jí)工程師

策劃：翟國(guó)慶

出品：科普中國(guó)

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