下一代量子计算机几乎将变得有用

量子计算行业的终极目标，是打造一台性能强大、功能完备的计算设备，用以解决那些经典计算机无法胜任的科学与工业领域大规模复杂问题。2026 年，我们暂时无法实现这一目标。事实上，科学家们自 20 世纪 80 年代起就致力于攻克这一难题，至少可以说，这项任务的难度远超预期。

“如果有人宣称如今的量子计算机已具备商业实用价值，那我真想知道他们到底是何看法。” 量子计算初创企业 QuEra 首席商务官 Yuval Boger 于 10 月在纽约举办的 Q+AI 大会上如此表示。

正因为这一目标极具挑战性，相关技术的发展进程也难以衡量。为了明确真正具备变革性的量子技术的发展方向，并标注技术演进道路上的关键里程碑，Microsoft Quantum 团队提出了一套全新的发展框架。

该框架将量子计算的发展划分为三个阶段：

• 第一阶段：即当前主流的含噪中等规模量子（NISQ）计算机。这类设备的量子比特数量约为 1000 个，但受噪声干扰严重，易产生计算误差。

• 第二阶段：具备初步纠错能力的小型量子计算机。这类设备可部署多种协议，实现对量子比特误差的可靠检测与修正。

• 第三阶段：大规模纠错量子计算机。这类设备将配备数十万甚至数百万个量子比特，能够以高保真度完成数百万次量子运算。

按照这一框架划分，2026 年将成为客户有望获得第二阶段量子计算机的元年。“我们对 2026 年满怀期待，因为过去多年的大量研究成果即将迎来收获期。”Microsoft 量子计算副总裁 Srinivas Prasad Sugasani 表示。

Microsoft 正与初创企业 Atom Computing 合作，计划向丹麦出口与投资基金以及诺和诺德基金会交付一台纠错量子计算机。“这台设备的核心价值在于助力科研突破 —— 目前尚未具备商业价值，但它将为后续商业化发展铺平道路。”Sugasani 补充道。

QuEra 也已向日本国立先进工业科学技术研究所（AIST）交付了一台具备纠错潜力的量子计算机，并计划于 2026 年向全球客户开放使用。

量子纠错技术的重要意义

当下量子计算机面临的核心瓶颈，无疑是其极高的噪声敏感度。量子比特本质上极为脆弱，极易受到电场、磁场、机械振动甚至宇宙射线等各类环境因素的干扰。尽管有人认为，即便受噪声影响的量子计算机也具备一定实用价值，但业界几乎一致认同：要实现真正具有变革性的应用，量子计算机必须具备抗干扰能力。

在经典计算领域，要提升信息的抗干扰能力，最直接的方法就是信息重复。例如，若要通过一条噪声信道传输一个 0 比特，该比特可能在传输过程中被翻转成 1，进而导致通信错误。但如果改为连续传输三个 0 比特，即便其中一个比特发生翻转，接收方仍能准确判断原始信息为 0。

然而，这种简单的重复策略并不适用于量子比特 —— 因为量子比特的状态无法被复制。不过，科研人员仍可通过特殊手段，将单个量子比特的信息编码到多个物理量子比特上，从而提升信息的抗干扰性。这种承载单个量子比特信息的多个物理量子比特组合，被称为逻辑量子比特。一旦信息被编码为逻辑量子比特，在计算过程中即便出现误差，纠错算法也能精准识别错误并还原原始信息。

仅仅构建逻辑量子比特还远远不够，关键在于通过实验验证：将信息编码为逻辑量子比特后，是否能切实降低误差率并提升计算性能。早在 2023 年，QuEra 团队就与哈佛大学、麻省理工学院以及马里兰大学的研究人员合作证实，基于逻辑量子比特的量子运算性能，显著优于基于裸物理量子比特的运算。2024 年，Microsoft 与 Atom Computing 的联合团队也实现了这一突破。

今年，这些科研成果将正式走向市场。Microsoft 与 Atom Computing 合作研发的名为Magne的量子计算机，将包含 50 个逻辑量子比特（由约 1200 个物理量子比特构成），并计划于 2027 年初投入运行。Boger 透露，QuEra 交付给 AIST 的量子计算机则包含约 37 个逻辑量子比特（具体数量取决于实现方案）与 260 个物理量子比特。

原子基量子计算机

值得注意的是，这两款第二阶段量子计算机均采用了同一种量子比特技术 ——中性原子量子比特。在经典计算领域，晶体管早已成为公认的核心基础器件；但在量子计算领域，业界尚未确定最优的量子比特技术路线，目前主流方案包括超导量子比特（IBM、Google 等企业主攻方向）、光子量子比特（PsiQuantum、Xanadu 等企业采用）、离子阱量子比特（IonQ、Quantinuum 等企业研发）等多种类型。

各类技术路线各有优劣，但首批纠错量子计算机选择中性原子技术并非偶然。要实现信息共享，构成逻辑量子比特的多个物理量子比特必须处于相邻位置或建立连接。与芯片上固定排布的超导量子比特不同，任意两个原子量子比特都能被精准移动至相邻位置（这一优势与离子阱量子比特相同）。

“中性原子具备可移动性，这让我们能够实现那些静态量子比特无法完成的纠错方案。”QuEra 的 Boger 表示。

一台中性原子量子计算机的核心部件是一个真空腔室。腔室内的原子气体被冷却至略高于绝对零度的极低温度，随后通过光镊技术—— 利用高度聚焦的激光束，实现对单个原子的捕获、固定甚至移动。每个原子即为一个物理量子比特，这些量子比特可被排列成二维甚至三维阵列。

配图特写：一台带有彩色反光与精密组件的科学光学设备。中性原子量子计算机主要通过激光器操控单个原子，复杂的光学系统负责引导激光束精准作用于目标原子。图片来源：Atom Computing

量子运算的核心 ——“量子门” 操作序列，则是通过另一束激光以精准调控的方式照射原子来实现。除了高可操控性，中性原子方案还具备并行运算优势：同一激光脉冲可同时照射多对原子，实现对多组原子的同步操作。

不过，中性原子量子比特也存在明显短板 —— 运算速度相对较慢。IBM Quantum 量子系统主管 Jerry Chow 指出，原子量子系统的运算速度仅为超导量子系统的百分之一到千分之一。

对此，Boger 则认为，这一缺陷可以通过其他优势弥补。“凭借中性原子的独特性能，我们的研究表明，其运算速度比此前预期提升了 50 至 100 倍。” 他所指的是 QuEra 近期与哈佛大学、耶鲁大学合作取得的研究成果。“我们认为，若从‘解题耗时’（而非单纯的时钟频率）的角度对比，如今中性原子量子计算机的性能已与超导量子计算机不相上下。” 尽管单个运算步骤耗时更长，但中性原子方案支持大规模并行运算，且纠错所需的运算步骤更少，因此整体解题效率得以显著提升。

条条大路通 “薛定谔的猫”

值得一提的是，Microsoft 提出的三阶段发展框架并未获得业界的一致认同。

“我认为这种阶段划分方式…… 过于偏向物理器件层面，我们更应从计算应用的视角看待量子计算的发展 —— 即这些量子电路究竟能实现哪些功能，赋能哪些场景？”IBM 的 Chow 表示。

Chow 强调，尽管大规模纠错量子计算机是行业的终极目标，但这并不意味着必须优先实现量子纠错技术。相反，IBM 团队正聚焦于挖掘现有量子设备的实际应用场景，同时采用其他抑错策略，并计划于 2029 年推出完全纠错的量子计算机。

无论是否认同这一框架，QuEra、Microsoft 与 Atom Computing 团队均对中性原子技术实现大规模量子计算的潜力充满信心。“如果用一个词概括中性原子技术的核心优势，那就是可扩展性。”Atom Computing 首席产品官 Justin Ging 如此评价。

QuEra 与 Atom Computing 的团队均表示，未来几年内，有望在单个真空腔室内集成 10 万个原子量子比特，这为量子计算向第三阶段的迈进指明了清晰的技术路径。