潛力無限的量子計算，從實驗室走向應用化還有多遠？

科技發展的歷史長卷中，總有一些突破性技術的誕生會改變世界的運行方式。回望過去，電子計算機、互聯網、智能手機的誕生都曾為人們的生活帶來翻天覆地的變化。今天，量子計算正站在這樣一個充滿可能性的歷史節點。它絕不僅是“更快”的計算機，而是基于量子力學規律的計算模式，能夠展現出傳統計算機望塵莫及的驚人效率。

從最初物理學家腦海中的理論推演，到如今實驗室里運行著幾十甚至上百個量子比特的原型機，量子計算的探索之路已走過近四十年。科學家們正孜孜不倦地推動這項技術走出實驗室的圍墻，邁向廣闊的現實應用天地。

在這篇文章里，我們就一起走近量子計算，看看它究竟能做什么，面臨哪些難關，以及它將如何悄然改變我們未來的世界。

量子計算的核心：當比特擁有了“魔法”

理解量子計算，起點在于認識它與傳統計算機的根本不同。傳統計算機中，信息的最小單位是比特（bit），它就像電路中的一個開關，非開即關，狀態只能是明確的0或1，所有復雜的運算最終都歸結為對大量0和1的邏輯處理。而量子計算機的核心是量子比特（qubit）。它的不同之處源于量子力學中的疊加原理：一個量子比特不僅可以處于0或1的狀態，還可以處于兩者的任意疊加態。想象一枚硬幣正在高速旋轉，你無法斷言此刻它是正面還是反面，它同時包含著兩種狀態的可能。這種特性意味著，在處理某些復雜問題時，它能同時探索海量的路徑和可能性，而不是像經典計算機那樣逐一嘗試。

支撐量子計算超能力的是兩個關鍵量子特性：疊加（Superposition）和糾纏（Entanglement）。量子疊加允許量子比特同時處于多種狀態，為強大的并行計算提供了物理基礎。量子糾纏則更為奇妙：當兩個或多個量子比特發生糾纏，它們的狀態便會緊密相連，即使相隔萬里，比如一個在地球，一個在月球，只要改變其中一個的狀態，另一個便會瞬間感應并發生相應變化，如同擁有心靈感應的雙胞胎。這種“幽靈般的超距作用”，為量子比特間實現超高速的信息傳遞和協同運算打開了大門。

為了讓這些量子比特完成計算任務，科學家們開發了量子門。它們就像是操控量子比特狀態的精密工具，能夠操控量子比特的疊加態或引發糾纏。著名的量子算法有Shor算法和Grover算法。Shor算法能夠以驚人的速度分解巨大的整數，可能破解現有的RSA加密體系；而Grover算法則擅長在雜亂無章的巨大數據庫中快速“大海撈針”，將搜索效率提升到新的量級。

從構想到現實：量子計算的成長足跡

量子計算的種子最早由物理學家理查德·費曼在1981年播下，他指出用量子系統模擬量子系統才是最高效的方法。緊接著，大衛·德伊奇描繪出通用量子計算機的理論藍圖，為后續的研究奠定了堅實的基石。

進入21世紀，量子計算機開始從理論走入實驗室實踐。這一時期的機器如同蹣跚學步的嬰兒，量子比特數量稀少且極其“嬌嫩”，極易受到環境的干擾。物理學家們探索了多種技術路線來承載這些脆弱的量子比特，包括超導電路、囚禁離子阱以及拓撲量子比特等，在摸索中不斷前行。

大約從2010年開始，量子計算邁入了商業化的初步探索階段。2019年，名為“懸鈴木”（Sycamore）的量子處理器在特定計算任務上實現了“量子優越性”——完成了一項頂尖超級計算機在合理時間內也無法完成的任務。國際上的一些科技巨頭也緊隨其后，紛紛推出可通過云平臺訪問的量子計算服務。中國的量子計算研究也取得了重要進展，2020年，中國科學技術大學研發的“九章”光量子計算機在高斯玻色采樣任務中大幅領先傳統計算機。

時至今日，我們仍處于NISQ（噪聲中等規模量子）時代。這個階段的量子計算機，量子比特的數量還不夠多（通常在幾十到幾百個），并且由于環境干擾（噪聲）的存在，計算過程中容易出錯。然而，量子糾錯技術、量子芯片的精密制造工藝以及維持極低溫環境的控制系統都在持續進步，推動著量子計算機一步步克服困難，朝著真正實用化的方向穩步邁進。

量子計算的力量：改變世界的潛能

量子計算最引人矚目的潛力之一是破解公鑰加密體系。以RSA加密為例，傳統計算機分解一個數千位的超大整數可能需要數千年，而運行Shor算法的量子計算機理論上只需數小時。這種能力迫使全球不得不加速研發和部署能夠抵抗量子攻擊的全新加密標準——抗量子密碼（PQC），以保護未來的數字安全。

在模擬微觀世界方面，量子計算堪稱“神器”。它本身就是基于量子力學原理運行的，因此模擬分子、材料內部復雜的量子結構和行為具有天然的優勢。這有望在設計更高效的工業催化劑、精確預測蛋白質如何折疊等前沿領域帶來突破，解決經典計算機因算力不足而長期困擾的難題。

對于現實世界中復雜繁瑣的優化問題，量子計算同樣展現出巨大潛力。無論是規劃覆蓋全國的龐大物流網絡、進行精密的金融風險分析，還是在海量投資選項中尋找最優組合，量子算法都可能提供比傳統方法快得多的解決方案，優化資源配置，提升效率。

要將量子計算的巨大潛力轉化為現實應用，我們仍面臨一系列嚴峻的挑戰。首當其沖的是量子退相干問題。量子比特的狀態極其脆弱，環境中細微的溫度波動、電磁干擾都可能導致它們失去神奇的疊加態（即退相干），使計算失效。克服這一難題需要兩方面的突破：一是發展更強大的量子糾錯技術，為計算過程提供“保護傘”；二是創造并維持極其穩定的運行環境，比如接近宇宙最低溫（絕對零度）的復雜低溫系統。

另一個核心難題是規模化制造。如何穩定地制造出成百上千個、甚至更多的量子比特，并讓它們高質量地糾纏協作而不“失控”，是巨大的工程和物理挑戰。不同的技術路線各有難點，超導路線依賴精密的納米級加工工藝，而離子阱路線則對激光控制的精度要求近乎苛刻。

強大的硬件離不開與之匹配的軟件和算法生態。目前雖然已有IBM Qiskit、Google Cirq、微軟Q#等量子編程平臺涌現，但整個軟件生態仍處于相對初級的成長階段。如何設計出能真正解決大規模實際問題的、高效且普適的量子算法，是當前研發的關鍵方向之一。

全球競逐與未來圖景

量子計算的競爭舞臺是全球性的。在中國，中國科學技術大學的“九章”系列光量子計算機和量子超導芯片“祖沖之”系列成果持續保持國際領先地位；國內的科技企業在量子計算云平臺和算法研究等領域積極布局。國際上，部分商業公司在超導量子比特的規模與性能提升上你追我趕；部分商業公司則在離子阱技術路線上深入耕耘。歐盟的“量子旗艦計劃”、日本的量子技術創新戰略等國家級項目，無不彰顯各國政府投入巨資搶占量子科技制高點的決心。

展望未來，量子計算的發展可能會經歷幾個關鍵階段。在未來5到10年，預計將繼續處于NISQ時代，量子計算將在特定領域試點應用，量子云服務將更加普及。進入10到20年內的中期，如果量子糾錯技術和規模化制造取得決定性突破，有望迎來真正通用型量子計算機的誕生，這將對密碼學、制藥研發、新材料設計等領域產生革命性影響。放眼20年以上的長遠未來，量子計算或許會像今天的電力或互聯網一樣，成為社會不可或缺的基礎設施，與經典計算深度融合，共同推動人工智能、生命科學、能源技術等領域的深刻變革，重塑人類文明的圖景。

結語

量子計算如同一粒正在萌芽的種子，其枝蔓向著科技與社會的各個領域延伸。站在2025年回望，從費曼當年的思想火花到如今在實驗室中穩定運行的百比特芯片，人類已經在這條充滿挑戰的道路上跋涉了近半個世紀。而將量子計算從實驗室的精密儀器，真正轉變為改變世界的實用力量，還需要全球科學家、工程師和產業界持續的智慧澆灌、緊密協作與不懈耕耘。

也許在不遠的將來，當量子計算融入我們的日常生活，從破解疾病密碼到探索浩瀚星辰，人類面臨的諸多重大挑戰，都將迎來全新的、充滿希望的解法。這場量子革命不再是遙不可及的雷聲，而是漸進的雨點，將浸潤人們認知與生活的每一寸土壤。

出品：科普中國

作者：李思瑤（北京航空航天大學物理學院助理研究員）郝佳欣（北京航空航天大學物理學院博士研究生）

監制：中國科普博覽