量子计算商用加速：科技巨头竞逐下一代算力
郭伟
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最近，美国普林斯顿大学的一支研究团队在《自然》杂志上发表了一项引人注目的新成果：他们成功将量子计算机的“脑细胞”——超导量子比特的“寿命”（即相干时间，指量子比特维持其量子叠加态的有效时长）提升至超过1毫秒。这不仅是目前实验室最佳版本的3倍、业界标准近15倍的突破，也是十多年来量子比特寿命实现的最大幅度提升。这一突破性进展有助于攻克量子比特信息保存时间过短的核心瓶颈，为实现可靠的商用量子计算机迈出了关键一步。
量子计算机的基本信息单元是量子比特。与经典计算机中的比特只能表示0或1不同，量子比特可以同时表示0和1，即处于量子叠加态，就像一枚快速旋转的硬币，在停下来之前同时具备正面和反面的状态。正是这种独特的性质，赋予了量子计算指数级的并行处理能力：理论上，50个量子比特可以同时处理多达2^50种状态，这是一个极其庞大的数字。然而，量子叠加态极其脆弱，一旦受到环境噪声、材料缺陷或热扰动等因素的干扰，量子信息便会迅速“退相干”，导致计算出错甚至完全失败。因此，量子比特的“寿命”直接决定了它能完成多少次可靠操作——这是衡量量子处理器性能的核心指标之一。
过去十余年，主流的超导量子比特多采用蓝宝石基座与铝电路组合的架构。但金属铝表面存在大量微观缺陷，会捕获能量、引发损耗，严重限制其相干时间。此次普林斯顿团队的突破，正源于对这一“老配方”的彻底革新：他们以高纯度硅基座替代蓝宝石，并用金属铌取代铝来制作量子电路。铌的晶体结构更为致密，表面缺陷密度显著低于铝，从而大幅减少了能量损失；而硅则是非常成熟的半导体材料，能提升制造一致性和大规模生产的可行性。研究团队攻克了“在硅上高质量生长铌薄膜”这一长期技术难题，实现了材料界面在原子级别的平整。实验结果显示，新型铌-硅量子比特的相干时间超过了1毫秒。这个时间看似短暂，却足以让每个量子比特在“退相干”前完成更多关键运算，为后续纠错和复杂算法的运行提供了宝贵的时间窗口。
整体来看，量子计算机的性能取决于两个核心因素：系统中量子比特的总数量，以及每个比特在出错前能执行的运算次数。2019年，谷歌推出“悬铃木”量子芯片，以53个量子比特首次展示了“量子优越性”；2025年3月，中国科学技术大学潘建伟院士团队发布超导量子计算原型机“祖冲之三号”，集成了105个超导量子比特，在特定任务上的运算速度比最强的超级计算机快千万亿倍。不过，即便拥有数百个物理比特，如何将错误率降至足够低的水平，仍是当前量子计算真正释放其算力潜能亟待突破的关键。因此，延长量子比特寿命、降低错误率，与增加比特数量同等重要。此次普林斯顿大学的研究主要解决了单个量子比特的寿命问题，而中国科大在量子纠错领域也取得了里程碑式的突破。2025年12月，基于107比特超导量子处理器“祖冲之3.2号”的相关成果发表，潘建伟院士团队在量子纠错方向上实现了“越纠越对”的重大进展。
尽管硬件发展取得突破，量子计算迈向广泛应用仍面临多重挑战。首先，技术路线仍较为分散。超导、离子阱、光量子、中性原子等路径各有优势：超导体系易于集成但需极低温，离子阱相干时间长但扩展难，光量子适合通信但难以存储。如何整合各类研发资源、打造最优方案，仍需付出大量努力。其次，软件生态与应用场景尚不明朗。除少数领域如量子化学模拟、组合优化外，尚缺乏能充分发挥量子优势的“杀手级应用”。大多数企业仍在探索“量子计算能做什么”，而非“如何用量子计算解决问题”。再者，跨学科人才非常稀缺。既懂量子物理，又熟悉金融、制药或人工智能应用的复合型人才较少，制约了技术向产业的转化。
有分析认为，通用容错量子计算机仍需10到20年时间。但在那之前，量子计算可通过“量子—经典混合架构”创造早期价值。例如，在药物研发中，用经典计算机处理大部分流程，将分子能级计算等核心环节交由量子协处理器完成，通过算力互补、发挥各自优势，实现渐进式升级。同时，量子计算与人工智能的融合正成为新的突破口。一方面，AI可用于优化量子控制脉冲、提升量子门保真度；另一方面，量子算法有望加速机器学习训练过程。这种双向赋能，或将成为量子技术落地的重要跳板。
回望量子理论诞生百年来的历程，量子计算正不断拓展人类解决复杂问题的边界。我们相信，未来有一天，医生将用量子模拟设计出治愈罕见病的新药，气候科学家将借助量子算法精准预测碳循环路径，普通人将因更高效的电池或更智能的电网而受益，神奇的量子计算机将极大造福人类社会。
(作者为北京理工大学物理学院特别研究员)
《 人民日报 》( 2026年01月30日 15 版)
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