摘要：
量子计算距离真正“无所不能”仍有距离，但行业正在逼近一个关键拐点。随着具备纠错能力的第二阶段量子计算机即将在2026年前后交付，研究人员首次让用户能够在真实设备上运行更稳定、可靠的量子计算。以中性原子为核心的新一代架构，正在为未来可扩展的大规模量子系统铺路，也让量子计算从实验室逐步迈向实际应用。
量子计算行业的终极目标，是打造一台足够强大、功能完备的机器，能够解决传统计算机无法应对的科学与工业级难题。到2026年，人类显然还达不到这一终点。事实上，自上世纪80年代以来，科学家们就一直在尝试实现这一愿景，而现实已经证明，这是一项极其艰难的工程。
量子计算初创公司 QuEra 的首席商务官 Yuval Boger 在去年10月纽约举行的 Q+AI 大会上直言，如果有人声称量子计算机已经具备商业价值，他很想知道对方“看到了什么我们还没看到的东西”。正因为目标如此宏大，行业进展往往难以衡量。
为了更清晰地规划量子计算的发展路径，并在不同阶段设立可验证的里程碑，Microsoft Quantum 团队提出了一套新的分层框架，将量子计算的发展划分为三个阶段。第一阶段是当前已经存在的噪声中尺度量子计算机，也被称为 NISQ 设备。这类机器通常拥有上百到上千个量子比特，但噪声大、错误率高，稳定性有限。第二阶段则是规模较小、但能够有效检测和纠正错误的量子计算机。第三阶段，也是终极目标，是大规模纠错量子系统，拥有数十万甚至上百万个量子比特，能够高保真地执行数百万次量子操作。
在这一框架下，2026年被视为一个关键时间点，因为客户预计将首次可以亲自使用第二阶段的纠错量子计算机。Microsoft 量子副总裁 Srinivas Prasad Sugasani 表示，过去多年积累的研究成果正在逐渐转化为现实系统，这让团队对未来几年充满期待。
Microsoft 已与 Atom Computing 合作，计划向丹麦出口与投资基金以及诺和诺德基金会交付一台具备纠错能力的量子计算机。Sugasani 指出，这台设备的意义更多体现在科研优势上，尽管暂时还谈不上商业应用，但这是通向实用量子计算的必经之路。
与此同时，QuEra 也已向日本产业技术综合研究所（AIST）交付了一台可用于纠错研究的量子计算机，并计划在2026年前后向全球用户开放类似设备。
当前量子计算面临的核心难题之一是噪声问题。量子比特极其脆弱，容易受到电磁场、机械振动甚至宇宙射线等环境因素的干扰。尽管有人认为高噪声设备也可能在特定场景下发挥作用，但业内普遍认同，真正具有变革意义的应用，离不开稳定可靠的纠错能力。
在经典计算中，提高可靠性的方法很简单：重复信息即可。但量子信息无法被复制，这使得纠错变得复杂得多。科学家通过将单个量子比特的信息分散编码到多个物理量子比特中，构建出所谓的“逻辑量子比特”，从而让系统在运算过程中能够识别并修正错误。
不过，仅仅构建逻辑量子比特还不够，关键在于通过实验验证，它们确实能降低错误率并提升计算能力。早在2023年，QuEra 联合哈佛大学、麻省理工学院和马里兰大学的研究人员，首次证明逻辑量子比特在实际运算中优于裸物理量子比特。Microsoft 与 Atom Computing 也在2024年取得了类似成果。
这些进展正逐步转化为真实设备。Microsoft 与 Atom Computing 即将交付的量子计算机名为 Magne，计划包含约50个逻辑量子比特，由大约1200个物理量子比特构成，预计在2027年初投入运行。QuEra 提供给 AIST 的系统则拥有约37个逻辑量子比特，物理量子比特数量约为260个。
值得注意的是，这两台第二阶段量子计算机都采用了同一种量子比特方案——中性原子。这并非偶然。与超导、光子或离子方案相比，中性原子在构建纠错结构时具有独特优势。构成逻辑量子比特的物理量子比特需要彼此靠近并高效通信，而中性原子可以被灵活移动，从而实现其他架构难以完成的纠错布局。
中性原子量子计算机通常由一个高度真空的腔室构成，内部的原子气体被冷却至接近绝对零度。通过被称为光学镊子的激光技术，研究人员可以捕获、固定并移动单个原子，每一个原子都作为一个物理量子比特存在，并能排列成二维甚至三维结构。
量子运算则通过精确控制激光照射来完成。除了高度可控的空间布局，这种方法还具备并行优势，同一束激光可以同时对多组原子执行相同操作，从而提高整体效率。
当然，中性原子方案也存在不足，其运算速度通常慢于超导量子系统。IBM Quantum 的系统负责人指出，原子系统的单次操作速度可能只有超导系统的百分之一甚至千分之一。但 QuEra 方面认为，这一差距可以通过更强的并行性和更高效的纠错方式来弥补。Boger 表示，在最新研究中，他们已经实现了比预期快数十倍的性能提升，在“达到结果所需的时间”这一指标上，中性原子系统已经具备竞争力。
并非所有人都认同 Microsoft 提出的分层框架。IBM 的研究人员认为，评估量子计算进展不应只看物理架构，更重要的是这些系统在计算层面能实际完成什么任务。IBM 目前仍在探索现有设备的应用潜力，同时计划在2029年前实现完全纠错的量子计算机。
尽管路径选择不同，QuEra、Microsoft 和 Atom Computing 对中性原子方案的可扩展性普遍持乐观态度。Atom Computing 首席产品官 Justin King 直言，可扩展性正是中性原子最大的优势。多家团队预计，未来几年内可在单个真空腔室中容纳多达10万个原子，为迈向第三阶段的大规模量子计算奠定基础。