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【导语】2025“国际量子年”，超导量子计算站上历史关键节点：从实验室走向产业，谷歌、IBM与中国团队多元并进，在算力密度、工艺兼容等优势与极低温维持、量子比特“保鲜”等挑战中探索前行。未来2-3年有望在专用领域突破，中期迈向含噪声中等规模应用，远期剑指通用容错，开启计算范式新篇章。

当我们在上篇中理解了超导量子计算机如何利用“人造原子”进行运算后，一个更现实的问题摆在面前：这台精密的“量子乐器”何时才能奏响变革世界的交响曲？

在2025年这个“国际量子年”，诺贝尔物理学奖呼应了这一浪潮，将其殊荣授予了推动超导量子计算发展的关键突破。这恰逢其时的认可，标志着超导量子计算正在经历从实验室奇迹到产业力量的深刻转变。

图1 2025年“国际量子年”的官方宣传图

（图片来源：Wikipedia）

01 机遇与挑战：在优势与瓶颈(jǐng)间(jiān)寻(xún)找(zhǎo)平(píng)衡(héng)

想(xiǎng)象(xiàng)一(yī)下(xià)，在(zài)指(zhǐ)甲(jiǎ)盖(gài)大(dà)小(xiǎo)的(de)芯(xīn)片(piàn)上(shàng)建(jiàn)造(zào)一(yī)座(zuò)“超(chāo)级(jí)城(chéng)市(shì)”，城中的“居民”是数百个量子比特。这就是超导量子计算创造的奇迹——指尖上的超算中心。

为何这条技术路线备受青睐？三大优势让它脱颖而出：

1) 首先是惊人的算力密度。超导量子逻辑门的操作速度达到纳秒级别，比经典计算机的运算节奏快了数个量级。这意味着在执行复杂量子算法时，它能在极短时间内完成海量操作。

2) 其次是与半导体工业的完美契合。制造超导量子芯片的工艺与现有的半导体微加工技术兼容，让我们能够站在巨人肩膀上，快速推(tuī)进(jìn)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)的(de)规(guī)模(mó)化(huà)生(shēng)产(chǎn)。就(jiù)像(xiàng)用(yòng)已(yǐ)经(jīng)成(chéng)熟(shú)的(de)高(gāo)速(sù)公(gōng)路网(wǎng)络(luò)来(lái)建(jiàn)设(shè)新(xīn)的(de)交(jiāo)通(tōng)枢(shū)纽(niǔ)，大(dà)大(dà)降(jiàng)低(dī)了(le)工(gōng)程(chéng)难(nán)度(dù)。

3) 最(zuì)后(hòu)是(shì)成(chéng)熟(shú)的(de)电(diàn)子(zi)测控生态。超导量子计算所需的微波控制、低温电子学等技术，与经典电子信息产业高度重合。这意味着我们不必从零开始构建整个产业链，显著降低了技术转化的门槛。

然而，这条通往未来的道路依然布满荆棘。三大挑战如同“三座大山”，考验着研究者的智慧：

1) 这台“超级冰柜”的沉重负(fù)担(dān)是(shì)最(zuì)直(zhí)观(guān)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)。维(wéi)持(chí)10至(zhì)15毫(háo)开(kāi)尔(ěr)文的(de)极(jí)低(dī)温(wēn)环(huán)境(jìng)需(xū)要(yào)复(fù)杂(zá)的(de)大(dà)型(xíng)稀(xī)释(shì)制(zhì)冷(lěng)系统，随着量子比特数量的增加，制冷需求呈指数级增长。这就像要为一座不断扩张的城市维持绝对的“寂静”，其难度可想而知。

2) 量子比特的“保鲜期”问题更为棘(jí)手(shǒu)。这(zhè)些(xiē)娇(jiāo)贵(guì)的(de)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)只(zhǐ)能(néng)在(zài)几十到几(jǐ)百(bǎi)微(wēi)秒(miǎo)内(nèi)保(bǎo)持(chí)其(qí)量(liàng)子(zi)特(tè)性(xìng)，任(rèn)何(hé)细(xì)微(wēi)的(de)环(huán)境(jìng)噪(zào)声(shēng)——从(cóng)电(diàn)磁(cí)波(bō)动(dòng)到(dào)材(cái)料(liào)缺(quē)陷(xiàn)的(de)振(zhèn)动(dòng)——都(dōu)可(kě)能(néng)让(ràng)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)失(shī)去(qù)它(tā)独(dú)特(tè)的(de)量(liàng)子(zi)特(tè)性(xìng)。

3) 除此之外，“完美雪花”的制造难题同样不容小觑。由于制备工艺的微观波动，每个量子比特的性能都存在细微差异，就像世界上没有两片完全相同的雪花。这种非均匀性导致每个量子比特都需要个性化定制的控制脉冲，极大地增加了系统校准的复杂度。

02 全球进展：多元并进的产业图景

在全球范围内，超导量子计算正沿着多元化的技术路径蓬勃发展。以谷歌、IBM和中国主要团队为代表的领先力量，分别在高保真硬件与纠错算法、系统规模化与全栈云平台生态、以及比特数量与自主产业链建设上形成了独特竞争力，共同推动着整个领域向前迈进。

谷歌：从概念验证到纠错攻坚的前沿探索者

谷(gǔ)歌的里程碑式进展始于2019年，其53比特“悬铃木”处理器在特定任务上实现了“量子计算优越性”。这一成就验证了量子计算的巨大潜力，也展现了谷歌的两大核心优势：极高的硬件保真度与前沿的纠错算法。

所谓硬件保真度，直接关系到量子比特的“保鲜期”，保真度越高，“保鲜”越久，计算越可靠。而在算法层面，谷歌开发的Alpha Qubit智能解码器，巧妙地利用了大家所熟知的人工智能（AI）：通过强大的算法处理海量诊断数据，实时修正量子错误，如同一位拥有高超医术的“量子医生”。这标志着“AI for Science”正成为解决量子纠错这一核心挑战的利器。

IBM：系统布局的“蓝图绘制者”

与谷歌聚焦前沿纠错的策略不同，IBM的优势在于系统工程的规模化能力与全栈生态的构建，这直接应对了前文所述“量子比特数量增加”与“系统校准复杂(zá)度高”的挑战。

IBM通过“鹰”、“秃鹫”等系列处理器的迭代，系统性地攻克量子比特规模化集成中的工程难题(tí)。同(tóng)时(shí)，他(tā)们(men)构(gòu)建(jiàn)了(le)从(cóng)硬(yìng)件(jiàn)、软(ruǎn)件(jiàn)到(dào)云(yún)平(píng)台(tái)的(de)完(wán)整(zhěng)量(liàng)子(zi)生(shēng)态(tài)系(xì)统(tǒng)，让(ràng)用(yòng)户(hù)无(wú)需(xū)深(shēn)究(jiū)复(fù)杂(zá)的(de)极(jí)低温测控系统，即可通过云端访问量子算力。其明确的路线图——计划在2029年推出拥有200个逻辑量子比特的实用化系统，正是这种系统工程思想的体现，为整个产业界指明了迈向大规模容错量子计算的可行路径。

图2 IBM的发展路线图

 中国力量：持续突破的重要贡献者

中国在超导量子计算领域的进步令人瞩目。从2021年的62比特“祖冲之号”实现量子优越性，到2025年初的105比特“祖冲之三号”，中国科研团队用扎实的技术积累证明了自身的实力。

“祖冲之三号”在多项目关键性能指标上已达到国际先进水平。这些突破性的成果，不仅是中国科研实力的体现，也为全球超导量子计算的研究提供了有价值的参考与技术路径，注入了新的发展动能。

图3 “祖冲之”号量子计算原型机（图片来源：安徽新闻联播视频截图）

03 未来之路：从专用突破到通用愿景

站在2025年这个时间节点，超导量子计算的未来发展(zhǎn)路径正变得越来越清晰。

在近期（未来2-3年），我们将看到量子计算在专用领域的突破。就像早期的计算机主要服务于特定科学计算一样，量子计算机将首先在密码分析、药物筛选、材料模拟等特定问题上展现其独特价值。

中期(qī)（5-10年(nián)）的(de)目(mù)标(biāo)是(shì)实(shí)现(xiàn)含(hán)噪(zào)声(shēng)中(zhōng)等(děng)规(guī)模(mó)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)应(yīng)用(yòng)。这(zhè)个(gè)阶(jiē)段(duàn)的(de)量(liàng)子(zi)处(chù)理(lǐ)器(qì)能(néng)够(gòu)处(chù)理(lǐ)更(gèng)复(fù)杂(zá)的(de)问(wèn)题(tí)，但(dàn)仍(réng)需(xū)要(yào)与(yǔ)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算机协同工作，共同解决实际应用中的挑战。

远期的愿景无疑是构建通用容错量子计算机。这需要量子比特数量的显著提升和错(cuò)误(wù)率(lǜ)的(de)大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)，是(shì)实(shí)现(xiàn)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)全部(bù)潜(qián)力(lì)的(de)终(zhōng)极(jí)目(mù)标(biāo)。

结语

在“国际量子年”的荣光与诺奖的激励下，超导量子计算正站在历史的关键节点。这条道路既充满希望，也布满挑战——我们需要在极低温环境下驯服脆弱的量子态，在原子尺度上实现工程学奇迹。

然而，其意义远不止于算力的突破，更标志着一场计算范式的根本转变。正如量子力学在近百年前将人类认知从宏观世界推向微观法则，彻底改变了我们对现实的理解；今天，超导量子计算正在书写的，是一部将人类认知推向更深层次的壮丽诗篇。在这场跨越极寒与噪声的征程中，每一步突破不仅是在为全新的计算时代奠基，更是在为人类探索(suǒ)未(wèi)知(zhī)世(shì)界(jiè)点(diǎn)亮(liàng)一(yī)盏(zhǎn)新(xīn)的(de)明(míng)灯(dēng)。

参考文献

[1] （“悬铃木”超导处理器在特定任务上实现“量子优越性”）Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[2] （IBM量子硬件与生态综述）Gambetta, J. M., Chow, J. M., & Steffen, M. (2017). Building superconducting quantum computers with a modular architecture. IBM Journal of Research and Development, 61(6), 10:1-10:10.

[3] （“祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)二(èr)号(hào)”实(shí)现(xiàn)“量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)”）Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[4] （“祖冲之三号”进一步刷新了超导量子计算优越性的世界纪录）Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

作者：栾春阳 清华大学物理系博士

王雨桐 清华大学物理(lǐ)系(xì)博(bó)士(shì)

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