北京量子信息科學(xué)研究院 于海峰 編譯自 Philip Ball.

Physics World

本文選自《物理》2026年第1期

PREFACE

在這篇兩部分系列文章的第二部分中，Philip Ball 探討了構(gòu)建真正實用的量子計算機(jī)所面臨的糾錯挑戰(zhàn)、算法需具備的平臺無關(guān)性，以及早期用戶將如何應(yīng)用。

（接上篇：）

在構(gòu)建全功能“容錯”量子計算機(jī)領(lǐng)域，全球企業(yè)與政府實驗室正爭相率先實現(xiàn)突破。然而，一臺具備實際應(yīng)用價值、能夠運(yùn)行復(fù)雜算法的通用量子計算機(jī)，必須使數(shù)百萬個相干量子比特實現(xiàn)糾纏——而這類量子比特極易受擾。受溫度、硬件中其他電子系統(tǒng)的串?dāng)_、測量誤差等環(huán)境因素影響，當(dāng)前的量子器件可能在遠(yuǎn)未達(dá)成該目標(biāo)前，便會在錯誤雪崩的沖擊下失效。

因此，糾錯問題是該領(lǐng)域未來的核心議題。這一問題的產(chǎn)生，源于量子比特的誤差無法像經(jīng)典計算機(jī)那樣僅通過保留多個副本來糾正：量子規(guī)則禁止在量子比特狀態(tài)仍與其他量子比特糾纏、且自身狀態(tài)尚未明確的情況下對其進(jìn)行復(fù)制。因此，要運(yùn)行包含數(shù)百萬個邏輯門的量子電路，我們需要新的技術(shù)方法來實現(xiàn)量子糾錯(QEC)。

受保護(hù)的量子態(tài)

量子糾錯的核心原理是將信息分散到多個量子比特上，這樣單個量子比特出現(xiàn)的誤差就不會造成太大影響�！傲孔蛹m錯的本質(zhì)思想是，若想保護(hù)一個量子系統(tǒng)免受損壞，就應(yīng)當(dāng)將其編碼在高度糾纏的量子態(tài)中，”加州理工學(xué)院量子信息與物質(zhì)研究所所長John Preskill表示。

然而，實現(xiàn)這種信息分散的方式并非唯一。不同的糾錯碼取決于量子比特之間的連接性——例如，量子比特僅與相鄰的量子比特耦合，還是與設(shè)備中所有其他量子比特耦合——而這通常由所使用的物理平臺決定。但無論采用何種糾錯方式，都必須快速執(zhí)行。“糾錯機(jī)制的運(yùn)行速度需要與邏輯門操作的速度相匹配，”英國國家量子計算中心(NQCC)創(chuàng)始人兼主任Michael Cuthbert表示，“如果一個邏輯門操作僅需1納秒，而后續(xù)邏輯門操作的糾錯卻要花費100微秒，那么這樣的糾錯是毫無意義的。”

目前，處理誤差的方式主要是補(bǔ)償而非糾正：例如，通過使用能夠剔除部分可能不可靠結(jié)果的算法(一種稱為“后選擇”的方法)來事后修補(bǔ)誤差問題。此外，關(guān)鍵還在于從源頭制造出性能更優(yōu)、誤差率更低的量子比特。

量子糾錯公司Riverlane的商業(yè)副總裁Maria Maragkou表示，全面量子糾錯的目標(biāo)對量子計算機(jī)的設(shè)計產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，從硬件到工作流程規(guī)劃都需適配。“為支持糾錯而進(jìn)行的變革，對量子處理器本身的制造方式、控制與操作方式都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，這需要通過強(qiáng)大的軟件棧來實現(xiàn)，而應(yīng)用程序?qū)⑦\(yùn)行在該軟件棧之上，”她解釋道。這里的“軟件�！焙w了從編程語言到用戶界面再到服務(wù)器的所有內(nèi)容。

圖1　從多到少：量子比特非常脆弱，其量子態(tài)極易受到局部環(huán)境的影響，并且很容易通過退相干過程丟失。因此，當(dāng)前量子計算機(jī)的誤差率非常高——大約每幾百次操作就會出現(xiàn)一次誤差。要使量子計算機(jī)真正實用，誤差率必須降低到百萬分之一的水平，尤其是對于更大型、更復(fù)雜的算法，誤差率需要達(dá)到十億分之一甚至萬億分之一。這就需要實時的量子糾錯。為了保護(hù)存儲在量子比特中的信息，必須將大量不可靠的物理量子比特以特定方式組合：如果某個量子比特出現(xiàn)故障并導(dǎo)致誤差，其他量子比特可以幫助保護(hù)系統(tǒng)。本質(zhì)上，通過組合多個物理量子比特(左圖)，可以構(gòu)建出少數(shù)幾個抗干擾能力強(qiáng)的“邏輯”量子比特

借助真正的容錯量子比特，可以在計算過程中控制誤差并防止其擴(kuò)散。理論上，這種量子比特可以通過將多個物理量子比特組合成一個可糾錯的“邏輯量子比特”來實現(xiàn)(圖1)。但在實際應(yīng)用中，這會帶來巨大的額外開銷：可能需要大量的物理量子比特才能構(gòu)建出少數(shù)幾個容錯邏輯量子比特。隨之而來的問題是，能否以比誤差累積更快的速度檢測所有這些物理量子比特中的誤差(圖2)。

圖2　糾錯過程示意圖：該圖概述了量子處理單元中量子糾錯的工作流程。英國公司Riverlane正在構(gòu)建其Deltaflow QEC軟件棧，該軟件棧將實時糾正數(shù)百萬個數(shù)據(jù)誤差，使量子計算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)典超級計算機(jī)無法企及的計算能力

在過去幾年中，這種額外開銷已穩(wěn)步降低。2024年年底，谷歌的研究人員宣布，他們的105量子比特Willow量子芯片突破了盈虧平衡閾值——當(dāng)使用更多物理量子比特構(gòu)建邏輯量子比特時，誤差率會降低而非升高。這意味著，理論上此類量子比特陣列可以實現(xiàn)規(guī)�；瘮U(kuò)展，且不會出現(xiàn)誤差累積的情況。

“容錯量子計算是我們的終極目標(biāo)，”IBM研究中心的研究主管Jay Gambetta表示。他認(rèn)為，要實現(xiàn)真正具有變革性的量子計算，系統(tǒng)不能僅局限于展示少數(shù)幾個邏輯量子比特——相反，需要至少包含100個邏輯量子比特的陣列，且能夠執(zhí)行超過1億次量子操作(108量子操作)。“操作次數(shù)是最為關(guān)鍵的因素，”他強(qiáng)調(diào)道。

這聽起來難度極大，但Jay Gambetta信心十足，認(rèn)為IBM將在2029年實現(xiàn)這些目標(biāo)�；谀壳霸诩m錯和誤差緩解方面取得的成果，他表示“比以往任何時候都更有信心實現(xiàn)容錯量子計算機(jī)”。IBM實驗量子計算小組前負(fù)責(zé)人Jerry Chow也持同樣的樂觀態(tài)度，他表示：“我們擁有明確的藍(lán)圖，計劃到2029年構(gòu)建出這樣的量子計算機(jī)”(圖3)。

也有人認(rèn)為突破閾值可能會稍低一些：Riverlane首席執(zhí)行官Steve Brierley認(rèn)為，第一臺糾錯量子計算機(jī)可能最快在2027年問世，它將包含約1萬個物理量子比特，支持100個邏輯量子比特，能夠執(zhí)行100萬次量子操作(1兆量子操作)。在此之后，10億次量子操作(109量子操作)的量子計算機(jī)將于2030—2032年推出，而1萬億次量子操作(1012量子操作)的量子計算機(jī)將在2035—2037年面世。

圖3 IBM的發(fā)展路線圖

平臺無關(guān)性

誤差緩解和糾錯只是量子軟件開發(fā)者面臨的兩大挑戰(zhàn)。從本質(zhì)上講，研發(fā)真正的量子算法需要充分利用量子疊加態(tài)和量子糾纏等關(guān)鍵量子力學(xué)特性。通常，實現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方式取決于運(yùn)行算法所使用的硬件。但最終目標(biāo)是開發(fā)出平臺無關(guān)的軟件，使用戶無需考慮其中涉及的物理原理。

光子量子計算公司Orca的Richard Murray表示：“目前，許多平臺要求用戶深入掌握量子物理知識，這是最大化性能的必要條件�！比绻噲D脫離物理原理對算法進(jìn)行泛化，通常會降低其運(yùn)行效率。Murray補(bǔ)充道：“但當(dāng)用戶想要進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)之類的操作時，沒有人愿意糾結(jié)于量子物理�！彼J(rèn)為，量子軟件開發(fā)者最終能夠向用戶隱藏這些專業(yè)細(xì)節(jié)——但Brierley認(rèn)為，這需要依托容錯量子計算機(jī)才能實現(xiàn)。

Riverlane的Maragkou補(bǔ)充道：“假以時日，邏輯電路之下的所有內(nèi)容對應(yīng)用開發(fā)者而言都將是一個黑箱。他們無需知道所使用的糾錯方式、量子比特類型等等。”她強(qiáng)調(diào)，打造真正高效實用的量子計算機(jī)，關(guān)鍵在于培養(yǎng)必要的技能�！拔覀冃枰獢U(kuò)大人才隊伍，研發(fā)更優(yōu)質(zhì)的量子比特、更完善的糾錯碼和解碼器，編寫能夠提升這些量子計算機(jī)性能的軟件，并以可被廣泛采用的方式解決實際問題。”她補(bǔ)充說，這些技能并非僅來自量子物理學(xué)家：“我敢說，大多數(shù)都不是來自量子物理學(xué)家！”

然而，即便是現(xiàn)在，從事量子軟件開發(fā)的人也不一定需要具備深厚的量子理論專業(yè)知識�！凹词箾]有傳統(tǒng)的物理專業(yè)背景，不了解氫原子能級等知識，也可以從事量子計算相關(guān)工作并解決問題，”量子軟件公司Phasecraft的聯(lián)合創(chuàng)始人Ashley Montanaro表示。

另一方面，量子計算領(lǐng)域可以向物理學(xué)領(lǐng)域傳遞新認(rèn)知：研究量子算法可能會催生新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)�！傲孔佑嬎愫土孔有畔㈩I(lǐng)域正在不斷拓展我們對當(dāng)前量子力學(xué)的認(rèn)知邊界，”Montanaro補(bǔ)充稱量子糾錯“已經(jīng)帶來了令人驚嘆的物理學(xué)突破”。

誰是早期用戶？

英國國家量子計算中心的Cuthbert表示，一旦真正的糾錯技術(shù)落地，量子計算機(jī)將迎來“一系列高價值商業(yè)應(yīng)用”。這些應(yīng)用可能會是什么？

Jerry Chow指出，在量子化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域，真正的量子優(yōu)勢——即利用量子方法完成僅靠經(jīng)典方法無法實現(xiàn)的計算——已基本觸手可及。關(guān)鍵在于，量子方法無需應(yīng)用于整個模擬過程，而是可以作為補(bǔ)充融入經(jīng)典方法，在問題的特定環(huán)節(jié)提升效率。

例如，2024年IBM的研究人員與日本理化學(xué)研究所(RIKEN)的多位科學(xué)家合作，計算了固氮細(xì)菌中固氮酶核心的硫化鐵簇(4Fe-4S)的最低能量態(tài)。該簇結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，經(jīng)典量子化學(xué)的近似方法無法對其進(jìn)行精確模擬。研究團(tuán)隊結(jié)合了量子計算(使用IBM的72量子比特Heron芯片)與理化學(xué)研究所的“富岳”高性能計算機(jī)的算力(圖4)。Gambetta表示，這種“將量子技術(shù)作為子程序融入以改進(jìn)經(jīng)典方法”的理念可能會成為一種更通用的策略，“計算的未來將是包含量子技術(shù)的(助力探索的)異構(gòu)加速器”。

圖4　聯(lián)合攻關(guān)：2025年6月，美國IBM公司與日本國立研究機(jī)構(gòu)理化學(xué)研究所聯(lián)合推出了IBM Quantum System Two量子計算系統(tǒng)，這是該系統(tǒng)首次在美國境外投入使用。該系統(tǒng)將IBM的156量子比特Heron量子計算系統(tǒng)(上圖)與理化學(xué)研究所的“富岳”超級計算機(jī)(下圖)——全球性能最強(qiáng)大的經(jīng)典超級計算機(jī)之一——相結(jié)合，通過高速網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)指令層面實現(xiàn)連接，成為量子中心型超級計算的試驗平臺

同樣地，Montanaro表示，Phasecraft公司正在研發(fā)“量子增強(qiáng)算法”——在這類算法中，量子計算機(jī)并非用于解決整個問題，而是通過某種方式為經(jīng)典計算機(jī)提供輔助。他說：“我們知道，量子計算僅對特定類型的問題有用，我認(rèn)為未來會出現(xiàn)量子計算機(jī)與經(jīng)典計算機(jī)協(xié)同工作的混合方法，而非完全依賴量子計算機(jī)運(yùn)行所有工作負(fù)載。”他進(jìn)一步指出，量子計算機(jī)首先要解決的重要問題包括新材料模擬——例如，為研發(fā)清潔能源技術(shù)提供支持(圖5)。

圖5 結(jié)構(gòu)洞察：量子計算機(jī)的一個極具前景的應(yīng)用是新型材料模擬。例如，量子算法公司Phasecraft的研究人員已展示了量子計算機(jī)如何協(xié)助模擬復(fù)雜材料，如多晶化合物L(fēng)K-99——2024年一些研究人員聲稱該材料是室溫超導(dǎo)體。研究團(tuán)隊采用經(jīng)典—量子混合工作流程，結(jié)合公司專有的材料模擬方法在量子硬件上對材料進(jìn)行編碼和編譯，成功建立了LK-99的經(jīng)典模型，并從中提取出材料內(nèi)部電子的近似表征。圖中展示了LK-99中紅色和灰色原子周圍的綠色與藍(lán)色電子結(jié)構(gòu)

“對于像我這樣的物理學(xué)家而言，”Preskill表示，“量子計算真正令人振奮的地方在于，我們有充分的理由相信，量子計算機(jī)能夠高效模擬自然界中發(fā)生的任何過程�！�

Montanaro認(rèn)為，實用量子計算另一個可能的近期目標(biāo)是解決優(yōu)化問題——無論是在優(yōu)化領(lǐng)域還是量子模擬領(lǐng)域，“我們認(rèn)為，在這個擁有數(shù)百個量子比特的NISQ時代，已經(jīng)能夠帶來真正的價值�！�(NISQ這一術(shù)語由Preskill提出，指嘈雜中等規(guī)模量子計算，其量子比特數(shù)量相對較少，且噪聲較大、容易出錯。)

量子計算的另一個潛在優(yōu)勢是，它往往比傳統(tǒng)高性能計算消耗更少的能源——而傳統(tǒng)高性能計算的能耗是眾所周知的高。即便可以將能耗降低幾個百分點，僅出于這一原因，使用量子資源也是值得的�！傲孔佑嬎阍谀茉磧�(yōu)勢方面確實具有巨大潛力，”Jerry Chow表示。2020年的一項研究顯示，某一特定的量子力學(xué)計算在高性能計算機(jī)上執(zhí)行時，其能耗比在量子電路上模擬時高出多個數(shù)量級。不過，在缺乏公認(rèn)且明確的能耗衡量標(biāo)準(zhǔn)的情況下，這類比較并不容易進(jìn)行。

構(gòu)建市場

當(dāng)前，量子計算市場自身正處于一種奇特的“疊加態(tài)”——其原理已得到充分驗證，但如今的設(shè)備距離能夠解決經(jīng)典計算機(jī)無法處理的實際問題卻仍有差距。然而，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，該領(lǐng)域需要大量投資。

Jay Gambetta表示，量子計算機(jī)(尤其是與高性能計算結(jié)合使用時)已成為獨特的科學(xué)工具，這一點應(yīng)能立即確立其價值�！拔艺J(rèn)為這一趨勢將會加速，并持續(xù)吸引資金投入�！边@也是IBM專注于開發(fā)約100個量子比特、可執(zhí)行超過1000個邏輯門操作的實用規(guī)模系統(tǒng)，而非單純追求設(shè)備規(guī)模擴(kuò)大的原因。

Montanaro認(rèn)為，政府應(yīng)在“私營部門不適合參與的領(lǐng)域”助力行業(yè)發(fā)展。政府的一個角色就是直接作為客戶。例如，Phasecraft正與英國國家電網(wǎng)合作，開發(fā)用于優(yōu)化能源網(wǎng)絡(luò)的量子算法�！皩W(xué)術(shù)研究的長期支持至關(guān)重要，”Montanaro補(bǔ)充道，“若認(rèn)為基礎(chǔ)科學(xué)已發(fā)展完備，那就大錯特錯了，政府應(yīng)繼續(xù)支持基礎(chǔ)研究�！�

不過，目前尚不清楚是否會出現(xiàn)用戶普遍購買和使用量子計算機(jī)的巨大需求。Cuthbert說，2010年之前，“人們曾預(yù)期銀行和政府部門都會希望擁有自己的量子計算機(jī)——市場格局可能與高性能計算類似”。但這種需求在一定程度上取決于商用量子計算機(jī)最終的形態(tài)：“如果它需要足球場大小的場地，旁邊還需配一座發(fā)電站，那么這類基礎(chǔ)設(shè)施就只能由國家層面建設(shè)�！奔词故切⌒土孔佑嬎銠C(jī)，用戶也可能先通過云服務(wù)試用，再決定是否在內(nèi)部部署。

Cuthbert指出，供應(yīng)鏈發(fā)展面臨的真正挑戰(zhàn)在于，如今的許多技術(shù)最初是為科學(xué)界開發(fā)的——例如，實現(xiàn)毫開爾文級冷卻或使用高功率激光器在科學(xué)界已成為常規(guī)操作�！叭绾螐姆⻊�(wù)專業(yè)科研客戶，轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)�；a(chǎn)(就像洗衣機(jī)工廠那樣)，在保證一定性能的同時，大幅降低成本、簡化操作？”

但Cuthbert對彌合這一差距、打造出商用實用型量子計算機(jī)持樂觀態(tài)度，部分原因在于他回顧了20世紀(jì)70年代的經(jīng)典計算行業(yè)狀況：“當(dāng)時那些系統(tǒng)的設(shè)計者根本無法想象我們?nèi)缃駮绱耸褂糜嬎阗Y源。因此，即使我們不知道這個行業(yè)五年后會發(fā)展成什么樣，也不應(yīng)氣餒，它依然能夠成長壯大�！�

Montanaro也看到了量子計算與經(jīng)典計算早期發(fā)展的相似之處：“想想20世紀(jì)40年代的計算機(jī)行業(yè)，與20年后相比截然不同，但兩者存在一些共性。如今，各類公司正填補(bǔ)我們此前看到的各個細(xì)分領(lǐng)域——有些專注于量子硬件開發(fā)，有些則專攻軟件�！盋uthbert認(rèn)為，量子行業(yè)可能會遵循類似的發(fā)展路徑，“但速度會更快，市場整合也會更迅速”。

然而，盡管20世紀(jì)70年代至80年代個人計算機(jī)的出現(xiàn)徹底革新了經(jīng)典計算行業(yè)，但量子筆記本電腦似乎不太可能有市場需求。相反，我們可能會看到越來越多的應(yīng)用程序和服務(wù)出現(xiàn)，它們將基.

于云的量子資源用于特定操作，并與經(jīng)典計算無縫融合，以至于我們甚至不會察覺到量子計算的存在。

或許，這才是成功的終極標(biāo)志：量子計算變得“隱形”，不再是新奇事物，而只是我們獲取答案的一種常規(guī)方式。

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