出品：科普中国

作者：李思瑶（北京航空航天大学物理学院助理研究员）郝佳欣（北京航空航天大学物理学院博士研究生）

监制：中国科普博览

科技发展的历史长卷中，总有一些突破性技术的诞生会改变世界的运行方式。回望过去，电子计算机、互联网、智能手机的诞生都曾为人们的生活带来翻天覆地的变化。今天，量子计算正站在这样一个充满可能性的历史节点。它绝不仅是“更快”的计算机，而是基于量子力学规律的计算模式，能够展现出传统计算机望尘莫及的惊人效率。

从最初物理学家脑海中的理论推演，到如今实验室里运行着几十甚至上百个量子比特的原型机，量子计算的探索之路已走过近四十年。科学家们正孜孜不倦地推动这项技术走出实验室的围墙，迈向广阔的现实应用天地。

在这篇文章里，我们就一起走近量子计算，看看它究竟能做什么，面临哪些难关，以及它将如何悄然改变我们未来的世界。

量子计算的核心：当比特拥有了“魔法”

理解量子计算，起点在于认识它与传统计算机的根本不同。传统计算机中，信息的最小单位是比特（bit），它就像电路中的一个开关，非开即关，状态只能是明确的0或1，所有复杂的运算最终都归结为对大量0和1的逻辑处理。而量子计算机的核心是量子比特（qubit）。它的不同之处源于量子力学中的叠加原理：一个量子比特不仅可以处于0或1的状态，还可以处于两者的任意叠加态。想象一枚硬币正在高速旋转，你无法断言此刻它是正面还是反面，它同时包含着两种状态的可能。这种特性意味着，在处理某些复杂问题时，它能同时探索海量的路径和可能性，而不是像经典计算机那样逐一尝试。

支撑量子计算超能力的是两个关键量子特性：叠加（Superposition）和纠缠（Entanglement）。量子叠加允许量子比特同时处于多种状态，为强大的并行计算提供了物理基础。量子纠缠则更为奇妙：当两个或多个量子比特发生纠缠，它们的状态便会紧密相连，即使相隔万里，比如一个在地球，一个在月球，只要改变其中一个的状态，另一个便会瞬间感应并发生相应变化，如同拥有心灵感应的双胞胎。这种“幽灵般的超距作用”，为量子比特间实现超高速的信息传递和协同运算打开了大门。

为了让这些量子比特完成计算任务，科学家们开发了量子门。它们就像是操控量子比特状态的精密工具，能够操控量子比特的叠加态或引发纠缠。著名的量子算法有Shor算法和Grover算法。Shor算法能够以惊人的速度分解巨大的整数，可能破解现有的RSA加密体系；而Grover算法则擅长在杂乱无章的巨大数据库中快速“大海捞针”，将搜索效率提升到新的量级。

从构想到现实：量子计算的成长足迹

量子计算的种子最早由物理学家理查德·费曼在1981年播下，他指出用量子系统模拟量子系统才是最高效的方法。紧接着，大卫·德伊奇描绘出通用量子计算机的理论蓝图，为后续的研究奠定了坚实的基石。

进入21世纪，量子计算机开始从理论走入实验室实践。这一时期的机器如同蹒跚学步的婴儿，量子比特数量稀少且极其“娇嫩”，极易受到环境的干扰。物理学家们探索了多种技术路线来承载这些脆弱的量子比特，包括超导电路、囚禁离子阱以及拓扑量子比特等，在摸索中不断前行。

大约从2010年开始，量子计算迈入了商业化的初步探索阶段。2019年，名为“悬铃木”（Sycamore）的量子处理器在特定计算任务上实现了“量子优越性”——完成了一项顶尖超级计算机在合理时间内也无法完成的任务。国际上的一些科技巨头也紧随其后，纷纷推出可通过云平台访问的量子计算服务。中国的量子计算研究也取得了重要进展，2020年，中国科学技术大学研发的“九章”光量子计算机在高斯玻色采样任务中大幅领先传统计算机。

时至今日，我们仍处于NISQ（噪声中等规模量子）时代。这个阶段的量子计算机，量子比特的数量还不够多（通常在几十到几百个），并且由于环境干扰（噪声）的存在，计算过程中容易出错。然而，量子纠错技术、量子芯片的精密制造工艺以及维持极低温环境的控制系统都在持续进步，推动着量子计算机一步步克服困难，朝着真正实用化的方向稳步迈进。

量子计算的力量：改变世界的潜能

量子计算最引人瞩目的潜力之一是破解公钥加密体系。以RSA加密为例，传统计算机分解一个数千位的超大整数可能需要数千年，而运行Shor算法的量子计算机理论上只需数小时。这种能力迫使全球不得不加速研发和部署能够抵抗量子攻击的全新加密标准——抗量子密码（PQC），以保护未来的数字安全。

在模拟微观世界方面，量子计算堪称“神器”。它本身就是基于量子力学原理运行的，因此模拟分子、材料内部复杂的量子结构和行为具有天然的优势。这有望在设计更高效的工业催化剂、精确预测蛋白质如何折叠等前沿领域带来突破，解决经典计算机因算力不足而长期困扰的难题。

对于现实世界中复杂繁琐的优化问题，量子计算同样展现出巨大潜力。无论是规划覆盖全国的庞大物流网络、进行精密的金融风险分析，还是在海量投资选项中寻找最优组合，量子算法都可能提供比传统方法快得多的解决方案，优化资源配置，提升效率。

要将量子计算的巨大潜力转化为现实应用，我们仍面临一系列严峻的挑战。首当其冲的是量子退相干问题。量子比特的状态极其脆弱，环境中细微的温度波动、电磁干扰都可能导致它们失去神奇的叠加态（即退相干），使计算失效。克服这一难题需要两方面的突破：一是发展更强大的量子纠错技术，为计算过程提供“保护伞”；二是创造并维持极其稳定的运行环境，比如接近宇宙最低温（绝对零度）的复杂低温系统。

另一个核心难题是规模化制造。如何稳定地制造出成百上千个、甚至更多的量子比特，并让它们高质量地纠缠协作而不“失控”，是巨大的工程和物理挑战。不同的技术路线各有难点，超导路线依赖精密的纳米级加工工艺，而离子阱路线则对激光控制的精度要求近乎苛刻。

强大的硬件离不开与之匹配的软件和算法生态。目前虽然已有IBM Qiskit、Google Cirq、微软Q#等量子编程平台涌现，但整个软件生态仍处于相对初级的成长阶段。如何设计出能真正解决大规模实际问题的、高效且普适的量子算法，是当前研发的关键方向之一。

全球竞逐与未来图景

量子计算的竞争舞台是全球性的。在中国，中国科学技术大学的“九章”系列光量子计算机和量子超导芯片“祖冲之”系列成果持续保持国际领先地位；国内的科技企业在量子计算云平台和算法研究等领域积极布局。国际上，部分商业公司在超导量子比特的规模与性能提升上你追我赶；部分商业公司则在离子阱技术路线上深入耕耘。欧盟的“量子旗舰计划”、日本的量子技术创新战略等国家级项目，无不彰显各国政府投入巨资抢占量子科技制高点的决心。

展望未来，量子计算的发展可能会经历几个关键阶段。在未来5到10年，预计将继续处于NISQ时代，量子计算将在特定领域试点应用，量子云服务将更加普及。进入10到20年内的中期，如果量子纠错技术和规模化制造取得决定性突破，有望迎来真正通用型量子计算机的诞生，这将对密码学、制药研发、新材料设计等领域产生革命性影响。放眼20年以上的长远未来，量子计算或许会像今天的电力或互联网一样，成为社会不可或缺的基础设施，与经典计算深度融合，共同推动人工智能、生命科学、能源技术等领域的深刻变革，重塑人类文明的图景。

结语

量子计算如同一粒正在萌芽的种子，其枝蔓向着科技与社会的各个领域延伸。站在2025年回望，从费曼当年的思想火花到如今在实验室中稳定运行的百比特芯片，人类已经在这条充满挑战的道路上跋涉了近半个世纪。而将量子计算从实验室的精密仪器，真正转变为改变世界的实用力量，还需要全球科学家、工程师和产业界持续的智慧浇灌、紧密协作与不懈耕耘。

也许在不远的将来，当量子计算融入我们的日常生活，从破解疾病密码到探索浩瀚星辰，人类面临的诸多重大挑战，都将迎来全新的、充满希望的解法。这场量子革命不再是遥不可及的雷声，而是渐进的雨点，将浸润人们认知与生活的每一寸土壤。

来源: 中国科普博览

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