Nature：量子計算加速，關鍵拐點逼近

在過去二十多年里，量子計算始終被貼著同一個標簽：前景巨大，但遙遙無期。

它在理論上幾乎無所不能，卻在現實中一次次被噪聲、錯誤率和工程復雜度拉回實驗室角落。

但現在，一種微妙卻清晰的變化正在發生。

2026年2月4日發表于《自然》（

Nature

過去兩年里，量子糾錯跨過了關鍵閾值，量子門精度逼近“九個九”，算法、材料、芯片與系統工程同時取得突破。原本需要數十億量子比特的計算任務，被壓縮到幾十萬，甚至更低的數量級。曾被視為營銷話術的產業時間表，開始被實驗數據一一托底。

這篇文章要回答的，不是“量子計算是否偉大”，而是一個更現實的問題：

它是否終于走出了“永遠有一天”，開始進入可規劃、可工程化的階段？

如果答案正在改變，那么改變的根源究竟在哪里，又意味著什么？

2026年2月4日發表于《自然》（Nature）的一篇關于量子計算領域最新進展的文章截圖。

本文三章21節，7100多字：

1. 量子計算：一場正在加速的技術轉折

2. 進展為何突然加速？

第一章 | 揮之不去的難題：錯誤率曾是最大障礙

3. 量子計算為何如此脆弱？

4. 兩個困擾幾十年的根本問題

5. 四支團隊，跨過了關鍵門檻

6. 量子糾錯：把一個量子比特“拆開保存”

7. 從數學證明到現實驗證：容錯量子計算浮出水面

第二章 | “九個九”的追逐：讓量子糾錯真正可擴展

8. 容錯的代價：曾經需要“千比一”的冗余

9. 算法更聰明了，所需量子比特在下降

10. 現在的核心問題：怎樣讓糾錯更高效

11. 糾錯理論正在爆發，但復雜性也在增加

12. 從“千比一”走向“百比一”的嘗試

13. 延長壽命：讓量子比特“活得更久”

14. 接近科幻的精度，正在變成現實

15. 從“英雄實驗”到可復制系統

第三章 | 量子計算會很快到來嗎？產業承諾與現實進度之間

16. 企業的時間表，正在變得更可信

17. 超導路線的希望：壽命再翻十倍

18. 冰箱里的瓶頸，正在松動

19. 系統工程：真正決定成敗的環節

20. 時間仍有爭議，但預期已經前移

21. 十年之內，已不再是異想天開

牛津離子公司（Oxford Ionics）生產的量子計算機芯片，該公司是眾多在該技術領域取得重大進展的公司之一。（圖源：Oxford Ionics/IonQ company）

1.

量子計算：一場正在加速的技術轉折

幾年前，量子計算領域的主流判斷仍然相當保守。許多研究者認為，要讓量子計算機真正解決復雜問題——例如預測化學反應過程或破解高強度加密文本——至少還需要幾十年時間。但如今，這種時間表正在被迅速改寫。

越來越多的跡象顯示，可用的量子計算機，可能在未來十年內就會出現。

美國新澤西州普林斯頓大學的實驗量子物理學家娜塔莉·德萊昂（Nathalie de Leon）將這種變化形容為一次明顯的“氛圍轉變”。她指出，越來越多的人開始意識到，這件事真的有可能實現，而且比預想中更快。

2.

進展為何突然加速？

過去兩年左右，量子計算領域的進展明顯提速，而且是多條技術路線同時推進。

一方面，來自高校實驗室的研究團隊，以及從初創公司到大型科技企業的產業力量，顯著降低了量子設備中長期存在的錯誤率。這得益于兩個關鍵改進：

• 量子器件制造工藝的提升

• 對量子比特進行操控的方法更加精細

另一方面，理論物理學家和計算機科學家對如何更高效地使用量子設備，也有了更清晰的理解。

耶路撒冷希伯來大學的計算機科學家多里特·阿哈羅諾夫（Dorit Aharonov）表示，如今她對量子計算的前景比以往任何時候都更有信心。“量子計算一定會實現，而且時間線比人們過去想象的要短得多。我們已經進入了一個新時代。”

第一章

揮之不去的難題：錯誤率曾是最大障礙

之所以最近的突破讓物理學界格外振奮，是因為它們正面擊中了量子計算長期以來最核心的瓶頸問題。

3.

量子計算為何如此脆弱？

量子計算機通過“量子比特”來編碼信息。與經典計算機中只能取0或1的比特不同，量子比特既可以是0或1，也可以處在兩者之間的連續疊加態。一個典型的例子是電子的量子自旋，它可以像一根磁針那樣，在空間中指向任意方向。

一次完整的量子計算，核心是一系列被稱為“量子門”的操作。這些操作可以：

• 作用于單個量子比特，例如將自旋旋轉一個特定角度；

• 或同時作用于多個量子比特。

關鍵在于，量子門能夠讓多個量子比特進入糾纏態——一種高度相關的集體狀態，使可處理的信息量呈指數級增長。計算最終以一次測量結束，量子態被破壞，輸出結果以普通數字比特串的形式呈現。

4.

兩個困擾幾十年的根本問題

長期以來，研究人員對這種計算范式是否可行始終心存疑慮，原因主要有兩點。

第一，量子態在現實環境中極其不穩定。它們會自然、隨機地漂移，持續一段時間后，所承載的信息幾乎不可避免地丟失。

第二，操作本身就會引入誤差。即便是看似簡單的操作，比如用電磁脈沖旋轉一個電子自旋，也無法做到百分之百精確。

正是這兩點，使量子計算在很長一段時間里看起來更像一個理論上的可能性，而非可工程化的技術。

5.

四支團隊，跨過了關鍵門檻

但在過去一年左右，情況發生了根本性變化。阿哈羅諾夫等人指出，已有四支研究團隊證明，這些問題在原則上是可以被解決的。

這四個團隊分別來自：

• 美國加利福尼亞州圣巴巴拉的谷歌量子人工智能實驗室；

• 科羅拉多州布魯姆菲爾德的量子公司量子連續體（Quantinuum）；

• 美國馬薩諸塞州的哈佛大學與初創公司“量子時代”（QuEra）；

• 中國合肥的中國科學技術大學。

6.

量子糾錯：把一個量子比特“拆開保存”

這些團隊共同采用并改進了一種核心技術：量子糾錯。

其基本思想是，不再讓一個量子比特獨自承載信息，而是將一個“邏輯量子比特”的信息分散編碼在多個“物理量子比特”中。只要其中部分物理量子比特出錯，系統仍有機會恢復原始信息。

不同團隊采用的物理實現方式各不相同：

• 谷歌和中科大的方案中，量子信息編碼在超導材料回路中循環的電子集體狀態里，系統被冷卻到接近絕對零度，以減少信息退化；

• 量子連續體公司使用的是被電磁場捕獲的單個離子中電子的磁取向；

• 量子時代公司則利用光學鑷子束縛的中性原子，其量子比特由原子的排列取向表示。

在計算過程中，系統會在中途測量特定的物理量子比特，以判斷邏輯量子比特是否受到破壞，并據此施加糾正操作。

7.

從數學證明到現實驗證：容錯量子計算浮出水面

量子糾錯本身并非沒有代價。任何糾錯操作本身也會引入新的誤差。

早在20世紀90年代，阿哈羅諾夫等人就通過數學證明指出：如果糾錯過程被反復應用，理論上可以將錯誤率降低到任意小。但這一結論附帶一個關鍵前提——每一步糾錯操作的錯誤率，必須低于某個閾值。

而這，正是過去幾十年里始終未能跨越的門檻。

如今，上述四支團隊已經展示，他們的量子計算系統確實滿足了這一閾值條件。對許多物理學家而言，這一成果具有里程碑意義，因為它首次在實驗層面表明：

大規模、具備容錯能力的量子計算，在技術上是可行的。

普林斯頓大學的科學家們開發了一種能夠提高量子計算精度的技術。（圖源：Matt Raspanti/Princeton University）

第二章

“九個九”的追逐：讓量子糾錯真正可擴展

即便量子糾錯已經被證明在原理上可行，它也并非靈丹妙藥。真正的挑戰在于規模。

8.

容錯的代價：曾經需要“千比一”的冗余

長期以來，科學界的普遍估計是：如果要運行一個完全具備容錯能力的量子算法，量子糾錯帶來的開銷可能高達1000:1——也就是說，每一個邏輯量子比特，需要至少一千個物理量子比特來支撐。

但現實是，目前建成的最大量子計算機也只有幾千個量子比特。而早期的推算甚至認為，如果要完成諸如大整數質因數分解這樣的任務，可能需要數十億個量子比特。

之所以把質因數分解作為標志性目標，是因為一旦量子計算機能夠高效完成這一任務，它就意味著可以解決一整類傳統計算機難以處理的問題，例如：

• 預測新型“奇跡材料”的物理性質；

• 讓金融交易的優化效率發生質變；

• 以及破解目前廣泛使用的互聯網加密體系。

9.

算法更聰明了，所需量子比特在下降

改變這一局面的一個關鍵因素，是算法層面的創新。研究人員正在用更“聰明”的方式實現量子算法，用更少的量子比特和量子門完成同樣的計算任務。

結果是，用于分解大整數所需的物理量子比特數量估計值，幾乎每五年就能下降一個數量級。

去年，谷歌的研究人員克雷格·吉德尼（Craig Gidney）展示了一種實現方案，將所需量子比特數量從2000萬個大幅削減至100萬個。其中一個關鍵技巧，是將抽象的量子門線路，重新組織成復雜的三維幾何結構。“我確實大量依賴幾何直覺。”吉德尼這樣形容自己的方法。

他認為，這一結果已經接近標準量子糾錯技術所能達到的性能極限。但他也指出，如果未來出現更先進的糾錯方案，冗余比例仍有進一步下降的空間。

10.

現在的核心問題：怎樣讓糾錯更高效

在德萊昂看來，當前整個領域的焦點已經非常明確：如何讓量子糾錯變得更高效。

實現路徑主要有兩條：

• 一是理論上的突破，通過設計更高效的糾錯編碼，讓一個邏輯量子比特的信息能被更緊湊地存儲，從而減少所需的物理量子比特數量；

• 二是工程上的改進，提高量子門操作的保真度（即準確率），以及物理量子比特本身的質量，從而減少糾錯所需的步驟數量。

柏林自由大學的物理學家延斯·艾瑟特（Jens Eisert）表示，如果未來幾年物理量子比特的冗余需求不能繼續下降，他反而會感到意外。

11.

糾錯理論正在爆發，但復雜性也在增加

荷蘭代爾夫特理工大學量子技術研究機構“量子技術”（QuTech）的理論物理學家芭芭拉·特哈爾（Barbara Terhal）指出，從數學角度看，量子糾錯理論正在變得更加豐富，也更加有趣。近年來，相關論文數量出現了“爆炸式增長”。

但她也提醒，更復雜的糾錯編碼并非沒有代價。糾錯結構越復雜，執行量子門操作的難度也可能越高，這在工程實現中可能成為新的瓶頸。

12.

從“千比一”走向“百比一”的嘗試

一些具體方案已經展現出大幅降低冗余的潛力。

IBM完善的一種糾錯技術，有望用當前行業標準十分之一的物理量子比特數量來編碼邏輯量子比特，將冗余比例降至約100:1。

初創公司量子時代則嘗試利用其中性原子量子比特的一項獨特優勢：量子比特可以被靈活移動，并按需彼此糾纏。量子時代公司創始人、哈佛大學物理學家米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）表示，這一方案在理論上同樣可以將冗余降至100:1。

要實現這一目標，盧金估算，其雙量子比特量子門的保真度需要從目前的99.5%提升到約99.9%。他認為這是可以做到的。“我們正穩步走在通往‘三個九’的道路上。”他說，這正是業界對高可靠性的常用說法。

13.

延長壽命：讓量子比特“活得更久”

德萊昂本人則從另一個方向切入，專注研究量子比特的內在弱點。她運用高精度計量學技術，系統性地分析量子比特性能受限的根源。

對于超導量子比特而言，歷史上最大的短板之一是壽命太短。即便算法在運行，量子比特也會在等待執行量子門操作的過程中不斷“衰減”。“當它們在等你做操作時，量子比特其實已經在慢慢‘死去’了。”德萊昂這樣形容。

她與合作者通過超高精度測量，鎖定了限制壽命的電磁噪聲來源，并嘗試了一系列材料層面的改進：

• 將超導回路材料從鋁換成鉭；

• 將襯底材料從藍寶石換成絕緣硅。

這些改變疊加在一起，使量子比特壽命從0.1毫秒提升到1.68毫秒。相關成果發表于去年11月的《自然》（Nature）。德萊昂認為，這還遠不是極限，“我相信通過一些明顯的嘗試，可以把壽命提升到10到15毫秒”，盡管她也提醒，每消除一種噪聲，往往會出現新的、意想不到的干擾源。

14.

接近科幻的精度，正在變成現實

與此同時，一些團隊已經在量子門保真度上取得了幾年前幾乎難以想象的成績。

2025年6月，研究人員報告了一項單量子比特量子門操作，精度達到99.999985%，接近七個九，比此前紀錄高出一個數量級。而且，這一突破并未對底層硬件做出任何改動。

該實驗的執行者之一、英國牛津大學的物理學家莫莉·史密斯（Molly Smith）回憶說，最初只是對微波和激光脈沖做了一些微調，結果卻出乎意料。“我們當時想，‘哇，那就看看還能壓低到什么程度吧。’”

多量子比特操作通常比單量子比特更容易出錯，但紀錄同樣在被不斷刷新。

• 初創公司牛津離子（Oxford Ionics，現已與美國馬里蘭州學院公園的IonQ合并）宣布，其雙量子比特操作保真度達到99.99%；

• 以色列比尼亞米納的量子晶體管公司（Quantum Transistors）則在去年12月宣布，實現了99.9988%的雙量子比特保真度，接近五個九，其量子比特由摻雜金剛石中的電子態表示。

15.

從“英雄實驗”到可復制系統

量子連續體公司位于科羅拉多州布魯姆菲爾德的物理學家克里斯·蘭格（Chris Langer）指出，這類刷新紀錄的成果，雖然令人振奮，但在物理學界常被稱為“英雄實驗”——它們通常是在單一組件、單一操作上做到極致優化。

要在一臺完整、可重復運行的量子計算機中實現同樣的性能，往往還需要兩年以上的工程打磨。

不過，IonQ旗下牛津離子實驗室的物理學家克里斯·巴蘭斯（Chris Ballance）表示，他們預計不久之后，就能在真正可運行的系統中實現同等級別的表現。

第三章

量子計算會很快到來嗎？產業承諾與現實進度之間

長期以來，量子計算公司對實現大規模、具備容錯能力的量子計算一直保持高度樂觀。

16.

企業的時間表，正在變得更可信

谷歌量子計算部門負責人哈特穆特·內文（Hartmut Neven）表示，公司的目標始終沒有改變：“我們一直說，會在本十年結束前交付可用于實際場景的量子計算能力，這一點并沒有真正改變。”

不同的是，許多研究人員認為，這些說法如今看起來更具可行性。在過去，它們常被視為營銷層面的夸大宣傳；而現在，即便對具體時間表仍存疑，學界也普遍承認，技術基礎已經發生了實質性變化。

離子阱量子計算公司IonQ的態度則更為激進。該公司宣稱，其量子計算機有望在2020年代末解決大整數質因數分解問題。IonQ旗下牛津離子實驗室的物理學家克里斯·巴蘭斯（Chris Ballance）聲稱，與競爭對手相比，IonQ在解決同類問題時，所需量子比特數量可減少10倍到1000倍。不過，批評者也指出，IonQ尚未展示一臺完全符合這些指標的、可運行的量子計算機。

17.

超導路線的希望：壽命再翻十倍

在超導量子比特路線方面，德萊昂認為，進一步延長量子比特壽命將產生決定性影響。她估算，如果壽命能夠提升至10毫秒左右，量子糾錯的冗余開銷可能會降低兩到三倍。

在多項改進疊加的情況下，她認為，用3萬到5萬個量子比特完成大整數質因數分解，已經不再是遙不可及的目標。

這一數量級，正好接近企業希望在一臺單一的超低溫制冷裝置中容納的量子比特規模。如果能夠做到這一點，就可以避開一個長期困擾工程師的難題：如何將多臺低溫制冷裝置可靠地連接起來，組成一臺真正具備容錯能力的量子計算機。

18.

冰箱里的瓶頸，正在松動

按照內文的說法，以當前技術水平，谷歌最大的低溫制冷設備可以容納約1萬個量子比特。過去真正的“攔路虎”在于，每一個量子比特都需要通過導線連接到位于冰箱外、室溫環境下的電子控制系統。

但下一代可在極低溫環境下工作的電子學器件，理論上可以被直接放置在制冷設備最冷的區域，并與量子芯片高度集成。如果這一設想得以實現，在一臺設備中集成數十萬個量子比特，將變得現實可行。

19.

系統工程：真正決定成敗的環節

也有研究人員對過快的樂觀預期保持謹慎。

美國加州圣巴巴拉的物理學家約翰·馬丁尼斯（John Martinis）曾是谷歌量子計算項目的核心人物，并于2025年獲得諾貝爾獎。他指出，企業往往會突出各自技術路線的優勢，但真正可用的量子計算機，最終要面對的是系統工程問題——各個部件如何協同工作。

“一條鏈條的強度，取決于最薄弱的那一環。”馬丁尼斯這樣形容。

目前，他正嘗試用一種更加整體化的方式重新設計超導量子比特。“我們正在用一種完全不同的方法制造這些器件。”他共同創立的初創公司Qolab，正與位于美國加州圣克拉拉的半導體公司應用材料公司（Applied Materials）合作，引入現代計算機芯片的制造工藝。

他們的目標是制造直徑300毫米的超大芯片，在一塊芯片上容納2萬個以上的超導量子比特，并且能夠直接放入標準的低溫制冷裝置中運行。

20.

時間仍有爭議，但預期已經前移

盡管如此，許多研究人員仍認為，實現真正的容錯量子計算不會輕而易舉，而且可能比頭部公司宣稱的時間更晚。

柏林自由大學的艾瑟特指出，仍有一些關鍵問題尚未被充分解決。他最近與加州理工學院帕薩迪納分校的物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）合作發表綜述文章，系統梳理了這些尚存的技術瓶頸。

但即便如此，他和許多同行也已經明顯修正了此前更為保守的判斷。

中國科學技術大學的量子計算研究人員陸朝陽表示，他目前的最佳判斷是，全面的容錯量子計算大約會在2035年前后實現。

21.

十年之內，已不再是異想天開

幾年前，如果有人提出“量子計算在十年內迎來實用突破”，這樣的說法很可能會被輕易否定。

而如今，這種預期正在成為新的常態。

一系列看似分散、卻彼此疊加的進展——從量子糾錯閾值的突破，到量子門保真度的“九個九”，再到材料、芯片與系統工程層面的革新——正在共同指向一個結論：

量子計算，正從一項長期承諾，轉變為一個可以被認真規劃的工程目標。

參考資料：

"Mind the gaps: The fraught road to quantum advantage" Eisert, J. & Preskill, J. Preprint at arXiv (2025). https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.19928

本文頭圖來自「量子號」