下一代量子計算機即將觸達實用門檻

量子計算產業的目標是建造功能強大、能夠解決經典計算機無法攻克的大規模科學與工業問題的實用機器。這一目標在2026年尚無法實現。事實上，科學家們自20世紀80年代起一直在攻關這一課題，其難度之大不言而喻。

2025年10月，量子計算初創公司QuEra首席商務官尤瓦爾·博格（Yuval Boger）在紐約舉行的Q+AI大會上表示：“如果有人說量子計算機如今已經實現了商用，我只能說，我也想擁有這樣的東西。”

由于目標高遠，追蹤進展并非易事。為了規劃通往真正顛覆性量子技術的路線圖并標記里程碑，微軟量子研究團隊提出了一套全新框架。

該框架將量子計算發展劃分為3個層級：第一層級涵蓋了當前已有的設備，即所謂的有噪聲中型量子計算機，這類計算機包含約1000個量子比特，但存在噪聲干擾且易出錯；第二層級包括實施了某個能穩健檢測和糾正量子比特錯誤的協議（這類協議很多）的小型機器；第三層級即最終階段，代表著具備糾錯功能的大規模量子計算機，這類計算機包含數十萬乃至數百萬量子比特，能夠執行數百萬次量子運算，并具有高保真度。

如果你認可這一框架，2026年將成為客戶用上第二層級量子計算機的關鍵一年。“我們對2026年充滿期待，因為過去多年積累的研究成果即將迎來收獲期。”微軟量子計算副總裁斯里尼瓦斯·普拉薩德·蘇加薩尼（Srinivas Prasad Sugasani）表示。

微軟正與初創公司Atom Computing合作，計劃向丹麥出口與投資基金以及諾和諾德基金會交付具備糾錯功能的量子計算機。“該設備應致力于建立科學優勢，雖然還不是商業優勢，但這是未來的方向。”蘇加薩尼表示。

QuEra也已向日本產業技術綜合研究所（AIST）交付了一臺可糾錯的量子設備，并計劃于2026年向全球客戶出貨。

可以說，當前量子計算機的主要問題在于它容易出現噪聲。量子比特天生脆弱，對所有種類的環境因素都極度敏感，包括電場或磁場、機械振動，甚至宇宙射線。雖然有人認為有噪聲的量子設備也具有實用價值，但人們的共識是，要實現真正顛覆性的應用，量子計算機必須具備糾錯能力。

要讓經典信息具備抗干擾能力，只需進行多次重復即可。假設你需要通過有噪聲的信道發送比特0，傳輸過程中0可能翻轉為1，導致溝通錯誤。而如果連續發送3個0，即使其中一個發生翻轉，接收方仍能辨識出你想要發送的是0。

不過，簡單的重復策略對量子比特無效，因為它們不能被復制粘貼。但仍有一些方法可將單個量子比特承載的信息編碼至多個物理量子比特，從而增強其穩健性。這類編碼單個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，在計算推進并產生錯誤時，糾錯算法便能解析出發生了什么錯誤以及原始信息是什么。

僅創建邏輯量子比特還不夠，必須通過實驗證明邏輯量子比特中的編碼信息確實能降低錯誤率并提升計算質量。早在2023年，QuEra團隊與哈佛大學、麻省理工學院及馬里蘭大學的研究者就合作證實，借助邏輯量子比特執行的量子運算優于未經處理的物理量子比特。2024年，微軟和Atom Computing團隊也得出了同樣的結論。

2026年，這些科學進步將惠及客戶。微軟與Atom Computing聯合開發的Magne量子計算機將搭載50個邏輯量子比特（由約1200個物理量子比特構成），預計2027年初投入運行。博格透露，QuEra向日本產業技術綜合研究所交付的設備擁有約37個邏輯量子比特（具體數量因實施方案而異）和260個物理量子比特。

上述兩款第二層級的量子計算機均采用同樣的量子比特（中性原子），這或許并非巧合。傳統計算世界早已選定晶體管作為基礎器件，而量子計算領域尚未挑選出完美的量子比特，可能是超導量子比特（IBM、谷歌等公司使用）、光量子比特（PsiQuantum、Xanadu等機構使用）、離子阱量子比特（IonQ、Quantinuum等公司開發），或是其他類型。

這些方案各有利弊，但首批糾錯量子計算機中有一部分選擇中性原子確有緣由。為了共享信息，構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，超導量子比特印制在芯片上，任意兩個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勢）。

“中性原子可以移動。”QuEra的博格指出，“因此我們能夠構建靜態量子比特無法實現的糾錯方案。”

中性原子量子計算機包括一個真空腔。在腔內，原子氣體被冷卻至接近絕對零度，隨后通過一種名為“光鑷”的技術，單個原子被高度聚焦的激光束捕獲、固定，甚至移動。每個原子是一個物理量子比特，這些量子比特可排列成二維乃至三維陣列。

計算本身（即“量子門”序列）通過用另一束激光照射這些原子來實現，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勢，同一激光脈沖可同時照射多對原子，從而對每對原子同步執行相同運算。

中性原子量子比特的主要短板在于運算速度較慢。IBM Quantum量子系統總監杰里·周（Jerry Chow）指出，原子系統的計算速度約為超導量子比特系統計算速度的百分之一至千分之一。

不過，博格認為這種速度劣勢可以彌補。“由于中性原子的獨特性能，我們已證明可以將速度提升到先前認知的50倍至100倍。”他援引QuEra與哈佛大學、耶魯大學近期的合作研究稱，“我們認為，在比較所謂的求解時間時，不僅要考慮時鐘頻率，更要考慮得出有效結果所需的時長……目前中性原子方案可以媲美超導量子比特。”雖然中性原子方案每個運算的速度較慢，但它可以并行執行多個運算，且糾錯所需的操作步驟更少，從而可實現整體加速。

微軟提出的三層級框架并未被業界普遍接受。

“我認為這類分級框架……是典型的以物理設備為中心的視角，而我們更應該從計算視角進行審視，即這些電路究竟有什么作用？”IBM的杰里·周說。

杰里·周主張，盡管具備糾錯功能的大型量子計算機是我們的終極目標，但這并不意味著必須首先實現糾錯功能。相反，IBM團隊正聚焦于發掘現有機器的應用場景，并在此過程中采用其他錯誤抑制策略，同時致力于在2029年實現能充分糾錯的量子計算機。

無論你是否認同該框架，QuEra、微軟和Atom Computing團隊對中性原子方案實現大規模設備的潛力均持樂觀態度。“如果只能選擇一個詞，那肯定是可擴展性，這是中性原子的核心優勢。”Atom Computing首席產品官賈斯汀·金（Justin Ging）表示。

QuEra和Atom Computing團隊均表示，預計未來數年內可讓單個真空腔容納10萬個原子，這為實現第三層級的量子計算指出了明確的路徑。

作者：Dina Genkina

IEEE Spectrum

《科技縱覽》

官方微信公眾平臺