在摩尔定律逐渐逼近物理极限的今天，我们手中的电子设备虽然依然强大，但在面对模拟复杂药物分子、优化全球物流网络或者破解高级加密算法这些指数级难题时，传统的硅基芯片显得越来越力不从心。想象一下，如果经典超级计算机是一个需要一条条试错来走出迷宫的探险者，那么量子计算机就像是拥有了上帝视角，可以同时踏上所有可能的路径，瞬间找到出口。

这种近乎科幻的算力愿景，让全球顶尖科技公司和科研机构展开了一场激烈的军备竞赛。而在众多技术路线中，超导量子计算凭借其工艺基础好、可扩展性强等优势，成为了目前领跑的头号选手。人们不禁要问，这位被寄予厚望的挑战者，究竟什么时候才能真正把传统的超级计算机拉下马？

要理解这场对决，我们得先看看量子计算机的“超能力”从何而来。传统计算机的世界是非黑即白的，它的基本单位比特只能处于0或1这两种状态之一。而量子计算机的基本单位是量子比特，它利用了微观世界神奇的量子叠加原理。就像那只著名的既死又活的薛定谔的猫一样，一个量子比特可以同时处于0和1的叠加状态。

更神奇的是，当多个量子比特在一起时，它们之间会产生一种叫做量子纠缠的神秘联系。爱因斯坦曾称之为“鬼魅般的超距作用”。即使相隔遥远，一个量子比特的状态发生变化，另一个也会瞬间做出反应。这就使得N个量子比特可以同时表示和处理2的N次方个状态。每增加一个量子比特，其计算能力理论上就会呈指数级爆炸增长。这种并行计算的能力，是经典计算机望尘莫及的。

超导量子计算，就是利用在接近绝对零度的极低温下电阻消失的超导材料，制造出一种人造原子作为量子比特。科学家可以通过微波脉冲来精确控制这些人造原子的状态，从而进行计算。由于使用的是成熟的微纳加工工艺，它在增加量子比特数量方面展现出了巨大的潜力。

这场竞赛的一个重要里程碑概念叫做“量子优越性”，或者叫量子霸权。它指的是量子计算机在某个特定问题上的计算能力远远超过现有的任何经典超级计算机，证明其独特的计算潜力。

2019年，谷歌宣布其研制的53个量子比特的超导量子芯片“悬铃木”率先实现了这一目标。它在200秒内完成了一项特定的随机电路采样任务，而谷歌宣称当时世界最强的超级计算机顶点需要耗时一万年才能完成。虽然IBM后来质疑说通过优化算法经典超算可以在几天内完成，但这依然是一个巨大的跨越，标志着量子计算机走出了理论，展示了肌肉。随后，中国的“祖冲之号”系列超导量子计算机进一步刷新了纪录，实现了更大规模、更高难度的量子优越性展示，巩固了人类在这一领域的探索成果。

看到这里，你可能会问，既然量子计算机已经这么厉害了，为什么我们还没用上量子手机，天气预报也还没变得百分之百准确？

这是因为展示“肌肉”和真正“干活”是两码事。目前的量子计算机还处在一个被称为“含噪声中型量子”时代。这些量子比特非常娇贵，极易受到外界环境噪声，比如温度波动、电磁辐射甚至宇宙射线的影响，导致量子叠加态和纠缠态坍缩，从而产生计算错误。这就像是在一个喧闹的菜市场里试图进行精密的科学实验。

为了维持它们工作，需要把芯片放在比宇宙深空还要冷的稀释制冷机中，这本身就是巨大的工程挑战和成本。更棘手的是量子纠错，为了让计算结果可靠，我们需要用许多个物理量子比特来纠正一个逻辑量子比特的错误。这意味着要制造出真正通用的、可容错的量子计算机，可能需要百万级别的物理量子比特，而我们现在才刚走到百位数的量级。

那么，超导量子计算机到底何时能全面超越传统超算？这注定不是一个瞬间发生的事件，而是一个漫长的攀登过程。

第一阶段是实现有实用价值的量子优越性。科学家们正在努力寻找那些既适合当前“含噪声”量子计算机处理，又具有实际科学或商业价值的问题，比如模拟某些特殊材料的性质或优化特定的金融模型。这可能在未来五到十年内初现端倪。

第二阶段则是构建通用的容错量子计算机。这需要基础物理、材料科学、控制工程和算法等多个领域的协同突破，极具挑战性。乐观估计可能还需要十年甚至更久的时间。

在这场漫长的马拉松中，经典计算机并不会坐以待毙，它们也在不断进化。未来更可能出现的场景是，量子计算机和经典计算机演化成一种互补关系。经典计算机负责处理日常的大部分计算任务，而遇到那些指数级复杂的特定难题时，则交给云端的量子协处理器去攻克。

超导量子计算机的突破之路，是人类智慧向自然界最深层规律发起的冲锋。虽然距离全面取代传统超算还有很长的路要走，但每一次量子比特数量的增加，每一次相干时间的延长，都在让我们离那个计算能力爆发的新纪元更近一步。

来源: 张天缘的科普号