下一代量子計(jì)算機(jī)即將觸達(dá)實(shí)用門(mén)檻

量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)是建造功能強(qiáng)大、能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法攻克的大規(guī)模科學(xué)與工業(yè)問(wèn)題的實(shí)用機(jī)器。這一目標(biāo)在2026年尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，科學(xué)家們自20世紀(jì)80年代起一直在攻關(guān)這一課題，其難度之大不言而喻。

2025年10月，量子計(jì)算初創(chuàng)公司QuEra首席商務(wù)官尤瓦爾·博格（Yuval Boger）在紐約舉行的Q+AI大會(huì)上表示：“如果有人說(shuō)量子計(jì)算機(jī)如今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商用，我只能說(shuō)，我也想擁有這樣的東西。”

由于目標(biāo)高遠(yuǎn)，追蹤進(jìn)展并非易事。為了規(guī)劃通往真正顛覆性量子技術(shù)的路線圖并標(biāo)記里程碑，微軟量子研究團(tuán)隊(duì)提出了一套全新框架。

該框架將量子計(jì)算發(fā)展劃分為3個(gè)層級(jí)：第一層級(jí)涵蓋了當(dāng)前已有的設(shè)備，即所謂的有噪聲中型量子計(jì)算機(jī)，這類(lèi)計(jì)算機(jī)包含約1000個(gè)量子比特，但存在噪聲干擾且易出錯(cuò)；第二層級(jí)包括實(shí)施了某個(gè)能穩(wěn)健檢測(cè)和糾正量子比特錯(cuò)誤的協(xié)議（這類(lèi)協(xié)議很多）的小型機(jī)器；第三層級(jí)即最終階段，代表著具備糾錯(cuò)功能的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，這類(lèi)計(jì)算機(jī)包含數(shù)十萬(wàn)乃至數(shù)百萬(wàn)量子比特，能夠執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)次量子運(yùn)算，并具有高保真度。

如果你認(rèn)可這一框架，2026年將成為客戶用上第二層級(jí)量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵一年。“我們對(duì)2026年充滿期待，因?yàn)檫^(guò)去多年積累的研究成果即將迎來(lái)收獲期。”微軟量子計(jì)算副總裁斯里尼瓦斯·普拉薩德·蘇加薩尼（Srinivas Prasad Sugasani）表示。

微軟正與初創(chuàng)公司Atom Computing合作，計(jì)劃向丹麥出口與投資基金以及諾和諾德基金會(huì)交付具備糾錯(cuò)功能的量子計(jì)算機(jī)。“該設(shè)備應(yīng)致力于建立科學(xué)優(yōu)勢(shì)，雖然還不是商業(yè)優(yōu)勢(shì)，但這是未來(lái)的方向。”蘇加薩尼表示。

QuEra也已向日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）交付了一臺(tái)可糾錯(cuò)的量子設(shè)備，并計(jì)劃于2026年向全球客戶出貨。

可以說(shuō)，當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的主要問(wèn)題在于它容易出現(xiàn)噪聲。量子比特天生脆弱，對(duì)所有種類(lèi)的環(huán)境因素都極度敏感，包括電場(chǎng)或磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)，甚至宇宙射線。雖然有人認(rèn)為有噪聲的量子設(shè)備也具有實(shí)用價(jià)值，但人們的共識(shí)是，要實(shí)現(xiàn)真正顛覆性的應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)必須具備糾錯(cuò)能力。

要讓經(jīng)典信息具備抗干擾能力，只需進(jìn)行多次重復(fù)即可。假設(shè)你需要通過(guò)有噪聲的信道發(fā)送比特0，傳輸過(guò)程中0可能翻轉(zhuǎn)為1，導(dǎo)致溝通錯(cuò)誤。而如果連續(xù)發(fā)送3個(gè)0，即使其中一個(gè)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，接收方仍能辨識(shí)出你想要發(fā)送的是0。

不過(guò)，簡(jiǎn)單的重復(fù)策略對(duì)量子比特?zé)o效，因?yàn)樗鼈儾荒鼙粡?fù)制粘貼。但仍有一些方法可將單個(gè)量子比特承載的信息編碼至多個(gè)物理量子比特，從而增強(qiáng)其穩(wěn)健性。這類(lèi)編碼單個(gè)量子比特信息量的物理量子比特組稱為邏輯量子比特。信息被編碼至邏輯量子比特后，在計(jì)算推進(jìn)并產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，糾錯(cuò)算法便能解析出發(fā)生了什么錯(cuò)誤以及原始信息是什么。

僅創(chuàng)建邏輯量子比特還不夠，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明邏輯量子比特中的編碼信息確實(shí)能降低錯(cuò)誤率并提升計(jì)算質(zhì)量。早在2023年，QuEra團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院及馬里蘭大學(xué)的研究者就合作證實(shí)，借助邏輯量子比特執(zhí)行的量子運(yùn)算優(yōu)于未經(jīng)處理的物理量子比特。2024年，微軟和Atom Computing團(tuán)隊(duì)也得出了同樣的結(jié)論。

2026年，這些科學(xué)進(jìn)步將惠及客戶。微軟與Atom Computing聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Magne量子計(jì)算機(jī)將搭載50個(gè)邏輯量子比特（由約1200個(gè)物理量子比特構(gòu)成），預(yù)計(jì)2027年初投入運(yùn)行。博格透露，QuEra向日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所交付的設(shè)備擁有約37個(gè)邏輯量子比特（具體數(shù)量因?qū)嵤┓桨付悾┖?60個(gè)物理量子比特。

上述兩款第二層級(jí)的量子計(jì)算機(jī)均采用同樣的量子比特（中性原子），這或許并非巧合。傳統(tǒng)計(jì)算世界早已選定晶體管作為基礎(chǔ)器件，而量子計(jì)算領(lǐng)域尚未挑選出完美的量子比特，可能是超導(dǎo)量子比特（IBM、谷歌等公司使用）、光量子比特（PsiQuantum、Xanadu等機(jī)構(gòu)使用）、離子阱量子比特（IonQ、Quantinuum等公司開(kāi)發(fā)），或是其他類(lèi)型。

這些方案各有利弊，但首批糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)中有一部分選擇中性原子確有緣由。為了共享信息，構(gòu)成邏輯量子比特的物理量子比特需要彼此緊密相鄰或者以某種方式連接。與之不同的是，超導(dǎo)量子比特印制在芯片上，任意兩個(gè)原子量子比特均可被放置在緊靠彼此的位置（離子阱量子比特也有這一優(yōu)勢(shì)）。

“中性原子可以移動(dòng)。”QuEra的博格指出，“因此我們能夠構(gòu)建靜態(tài)量子比特?zé)o法實(shí)現(xiàn)的糾錯(cuò)方案。”

中性原子量子計(jì)算機(jī)包括一個(gè)真空腔。在腔內(nèi)，原子氣體被冷卻至接近絕對(duì)零度，隨后通過(guò)一種名為“光鑷”的技術(shù)，單個(gè)原子被高度聚焦的激光束捕獲、固定，甚至移動(dòng)。每個(gè)原子是一個(gè)物理量子比特，這些量子比特可排列成二維乃至三維陣列。

計(jì)算本身（即“量子門(mén)”序列）通過(guò)用另一束激光照射這些原子來(lái)實(shí)現(xiàn)，且需要以精確編排的方式照亮原子。除可操控性外，中性原子方案還有并行優(yōu)勢(shì)，同一激光脈沖可同時(shí)照射多對(duì)原子，從而對(duì)每對(duì)原子同步執(zhí)行相同運(yùn)算。

中性原子量子比特的主要短板在于運(yùn)算速度較慢。IBM Quantum量子系統(tǒng)總監(jiān)杰里·周（Jerry Chow）指出，原子系統(tǒng)的計(jì)算速度約為超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)計(jì)算速度的百分之一至千分之一。

不過(guò)，博格認(rèn)為這種速度劣勢(shì)可以彌補(bǔ)。“由于中性原子的獨(dú)特性能，我們已證明可以將速度提升到先前認(rèn)知的50倍至100倍。”他援引QuEra與哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)近期的合作研究稱，“我們認(rèn)為，在比較所謂的求解時(shí)間時(shí)，不僅要考慮時(shí)鐘頻率，更要考慮得出有效結(jié)果所需的時(shí)長(zhǎng)……目前中性原子方案可以媲美超導(dǎo)量子比特。”雖然中性原子方案每個(gè)運(yùn)算的速度較慢，但它可以并行執(zhí)行多個(gè)運(yùn)算，且糾錯(cuò)所需的操作步驟更少，從而可實(shí)現(xiàn)整體加速。

微軟提出的三層級(jí)框架并未被業(yè)界普遍接受。

“我認(rèn)為這類(lèi)分級(jí)框架……是典型的以物理設(shè)備為中心的視角，而我們更應(yīng)該從計(jì)算視角進(jìn)行審視，即這些電路究竟有什么作用？”IBM的杰里·周說(shuō)。

杰里·周主張，盡管具備糾錯(cuò)功能的大型量子計(jì)算機(jī)是我們的終極目標(biāo)，但這并不意味著必須首先實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。相反，IBM團(tuán)隊(duì)正聚焦于發(fā)掘現(xiàn)有機(jī)器的應(yīng)用場(chǎng)景，并在此過(guò)程中采用其他錯(cuò)誤抑制策略，同時(shí)致力于在2029年實(shí)現(xiàn)能充分糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。

無(wú)論你是否認(rèn)同該框架，QuEra、微軟和Atom Computing團(tuán)隊(duì)對(duì)中性原子方案實(shí)現(xiàn)大規(guī)模設(shè)備的潛力均持樂(lè)觀態(tài)度。“如果只能選擇一個(gè)詞，那肯定是可擴(kuò)展性，這是中性原子的核心優(yōu)勢(shì)。”Atom Computing首席產(chǎn)品官賈斯汀·金（Justin Ging）表示。

QuEra和Atom Computing團(tuán)隊(duì)均表示，預(yù)計(jì)未來(lái)數(shù)年內(nèi)可讓單個(gè)真空腔容納10萬(wàn)個(gè)原子，這為實(shí)現(xiàn)第三層級(jí)的量子計(jì)算指出了明確的路徑。

作者：Dina Genkina

IEEE Spectrum

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