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）

想象一下，在指甲盖大小的芯片上建造一座“超级城市”，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，快速推进量子芯片的规模化生产。就像用已经成熟的高速公路网络来建设新的交通枢纽，大大降低了工程难度。

3)最后是成熟的电子测控生态。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”的沉重负担是最直观的挑战。维持10至15毫开尔文的极低温环境需要复杂的大型稀释制冷系统，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”问题更为棘手。这些娇贵的量子比特只能在几十到几百微秒内保持其量子特性，任何细微的环境噪声——从电磁波动到材料缺陷的振动——都可能让量子比特失去它独特的量子特性。

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。

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。同时，他们构建了从硬件、软件到云平台的完整量子生态系统，让用户无需深究复杂的极低温测控系统，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）

站在2025年这个时间节点，超导量子计算的未来发展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（5-10年）的目标是实现含噪声中等规模量子计算的应用。这个阶段的量子处理器能够处理更复杂的问题，但仍需要与经典计算机协同工作，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误率的大幅降低，是实现量子计算全部潜力的终极目标。

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，更是在为人类探索未知世界点亮一盏新的明灯。

参考文献

来源: 福建科普