撰文| 钱亚光
编辑| 张 南
设计| 荆 芥
量子计算的商业应用已进入倒计时阶段，仅在一周之内，谷歌和英伟达相继宣布了与量子计算相关的技术突破。
10月29日凌晨，在市值全球最高的上市公司英伟达举办的GTC大会上，CEO黄仁勋展示了基于CUDA-Q核心构建的开放式系统架构NVQLink，该架构旨在连接传统GPU与量子计算机，共同推进量子计算的加速进程。
2025年10月，来自谷歌、麻省理工学院、斯坦福大学和加州理工学院的研究人员在《自然（Nature）》杂志上发表了两篇论文，展示了利用谷歌的Willow量子处理器实现的可验证量子优势。
谷歌量子人工智能实验室的研究团队宣布，在谷歌自研的量子计算机专用Willow芯片上，新开发的“量子回声（Quantum Echoes）”算法实现了首个可验证的量子优势。
传统计算机的“比特”类似开关，只能是0或1，其运算能力随着数据量的增加而线性提升，但很快会遇到处理复杂问题的瓶颈。量子计算的核心是量子比特，它利用量子力学的“叠加态”特性——就像一枚硬币同时展示正反两面，能够同时存储0和1的组合状态。
更令人惊叹的是“量子纠缠”现象：即使两个量子比特相隔遥远，它们的状态也会相互影响，使得运算能力随着量子比特数量的增加而呈指数级增长。
这一理论并非空中楼阁。早在20世纪80年代，2025年诺贝尔物理学奖得主米歇尔・德沃雷特（Michel H. Devoret）等人就证实了量子特性可以在宏观电路中被观测到，这为超导量子比特奠定了基础——通过将金属冷却至接近绝对零度，使其表现出亚原子粒子的奇异行为，这正是谷歌Willow芯片的技术基础。
作为谷歌量子AI实验室量子硬件的首席科学家，德沃雷特强调：“展望未来，随着我们掌握更大规模的量子计算机，我们将能够执行那些任何经典算法都无法实现的计算任务。”
01“量子回声”与纠错技术的双重跨越
2025年10月，谷歌在《自然》杂志上发表的论文揭示了一项具有里程碑意义的突破：搭载105量子比特的Willow芯片运行的“量子回声”算法，其速度比全球最快的超级计算机之一——美国“前沿（Frontier）”快13000倍，仅需2小时即可完成一项任务，而同样的任务在Frontier上则需要耗时3.2年。
谷歌首席执行官桑达尔·皮查伊（Sundar Pichai）在X上写道：“该结果是可验证的，这意味着其结果可以被其他量子计算机重复或通过实验证实。这一突破是迈向量子计算首次实际应用的重要一步，我们很高兴看到它的发展方向。”
更令人震撼的是，在随机电路采样（RCS）基准测试中，Willow完成任务仅需5分钟，而Frontier需耗时10²⁵年，这个数字远超宇宙年龄。
此次突破的关键在于算法创新与量子纠错的历史性突破。
“量子回声”模拟了“时间逆转”的物理过程：先通过双量子比特门让系统正向演化，插入随机单量子比特门制造“扰动”，再用反向门让系统回溯。
谷歌官网形象地解释，这如同“向量子系统发送精心设计的信号，扰动后精确逆转演化，倾听返回的‘回声’”，量子波通过相长干涉被放大，使测量灵敏度达到新高度。
通过多次重复采样，能精准捕捉量子系统的概率分布，这一过程被称为“超时序相关性（OTOC）”测量。谷歌与加州大学伯克利分校的合作已完成这一原理的验证实验。
量子纠错是30年来制约行业发展的核心瓶颈。量子比特如同“娇弱的精灵”，温度波动、电磁干扰等环境扰动都会导致计算错误，而传统纠错思路引入的额外量子比特反而会引发更多误差，陷入“越纠越错”的恶性循环。
谷歌此次采用表面码纠错技术，通过n×n的二维量子比特阵列构建逻辑量子比特——简单说，就是用多个物理比特“集体守护”一个逻辑比特，类似用3个哨兵确认同一信号，少数服从多数修正偏差。
这一技术的关键是“错误率阈值”：只有原始错误率低于阈值，纠错才能生效。Willow芯片实现了历史性跨越：当逻辑量子比特的物理阵列从3×3（9个物理比特）扩展到7×7（49个物理比特）时，错误率每次都减半，首次实现“越纠越对”的指数级抑制效果。
谷歌量子人工智能创始人兼负责人哈特穆特・内文（Hartmut Neven）透露：“这是量子计算从理论走向实用的分水岭，我们终于突破了30年的技术死结。”
2019年谷歌曾宣称“量子霸权”，但因经典算法后来实现追赶引发争议。此次突破的核心进步是可验证性——结果能通过其他量子计算机重复或实验证实，解决了量子计算领域的核心信任难题。
谷歌量子人工智能团队研究科学家汤姆・奥布莱恩（Tom O’Brien）直言：“可验证性是关键，它意味着我们向量子技术的现实应用迈出了巨大一步。”皮查伊在社交媒体上强调：“这一突破是量子计算走向实际应用的重要一步”，他更畅想“多元宇宙未来的量子+AI即将到来”。
02全球竞逐与中国力量的崛起
量子计算目前正处于从“实验性”向“实用性”过渡的关键时期。谷歌的突破性进展并非孤立事件，其他科技巨头如英伟达、IBM和微软等也在积极投入竞争。
英伟达推出了一种创新系统——NVQLink，它将量子计算机与人工智能芯片相结合。该系统计划连接17家量子计算公司和9家科研实验室，通过开放的系统架构，实现GPU计算的极致性能与量子处理器的紧密耦合，旨在构建加速的量子超级计算机。
在过去的几年里，美国、中国和欧洲的政府都增加了对量子信息研究与开发的投资。
例如，美国政府在2019年至2023年期间投入了37.5亿美元，这几乎是《国家量子倡议法案（National Quantum Initiative Act，NQIA）》批准的五年13亿美元预算的三倍。下一阶段的预算正在重新审批过程中，计划在五年内拨款27亿美元，但最终的投资额可能会更高。
中国通过超过152亿美元的专项投资，在相干光量子技术路线上实现了跨越式发展。最近发布的1000量子比特相干光计算机已开始商业化服务，这使得中国成为全球量子计算竞争中的核心力量之一。
在超导技术路线上，中国科学技术大学潘建伟院士的团队在两年前就率先展示了码距为3的纠错实验。目前，他们正在推进码距为7的关键测试，并预计在数月内完成。
2025年3月，该团队构建了名为“祖冲之三号”的超导量子计算原型机，它包含105个可读取比特和182个耦合比特。在量子随机线路采样任务中，其处理速度比国际上最快的超级计算机快上千万亿倍，再次刷新了超导体系量子计算的性能世界纪录。
“量子计算的竞争不是单点突破，而是体系能力的较量。”潘建伟院士在最近的量子信息大会上强调，“中国在相干光和超导两条技术路线上并行布局，已经形成了独特的优势。我们的目标不是追随，而是在实用化阶段实现领先。”
中国科学院量子信息与量子科技创新研究院研究员、潘建伟院士团队成员朱晓波补充说：“谷歌在纠错技术上的突破验证了表面码路线的可行性，这与我们的技术方向高度一致。接下来的关键是提升硬件的保真度。”
在硬件层面，主流量子计算机的物理量子比特数通常集中在200到500个之间，但经过纠错处理后，可用的逻辑量子比特仅数十个。而Willow的105量子比特在纠错性能上实现了质的飞跃——其错误率较前代减少了一半，并且具备了适时纠错的能力。
内文自豪地宣称：“这是向大规模、纠错量子计算机迈出的重要一步。从帮助发现新药到设计更高效的电池，许多具有颠覆性的应用正等待量子计算来解锁。”
03商业化应用的曙光
尽管量子计算仍处于初级阶段，但它已经从实验室走向商业试点，亚马逊、默克（Merck）等企业的实践正在描绘出产业应用的清晰路径。
量子计算的首个应用领域可能是新药研发。
全球制药巨头默克已与谷歌量子AI实验室达成合作，利用Willow芯片模拟肿瘤靶向药的分子结合过程。传统实验需要筛选数万种化合物，耗时3-5年，而量子计算通过精确模拟分子间作用力，可将候选化合物数量缩减至数百种，研发周期缩短70%。
默克研发副总裁马克・施奈德（Mark Schneider）透露：“我们针对阿尔茨海默病的β淀粉样蛋白抑制剂研发，已通过量子模拟锁定3个高潜力分子，预计2027年进入临床阶段。”
通过增强核磁共振（NMR）技术，量子计算还能突破传统仪器的局限，探测分子中远距离原子的相互作用。
伯克利大学化学助理教授阿肖克·阿乔伊（Ashok Ajoy）指出，这有助于解析阿尔茨海默病相关分子机制，或设计新型电池材料、超导材料，将研发周期从数年缩短至数月。内文还补充道，量子计算还能加速核聚变和新能源替代研究。
第二个应用领域是材料设计创新。
中国光伏企业隆基绿能已接入中科院的相干光量子计算机，用于优化钙钛矿电池的晶体结构。传统仿真受限于经典算力，无法精准模拟多原子体系的能量传递过程，而量子计算可还原原子级别的相互作用，使电池理论效率从26%提升至32%。
隆基首席科学家李华军表示：“基于量子模拟的新型钙钛矿配方已完成实验室验证，量产组件预计2026年上市，度电成本可再降15%。”
第三个应用领域是提供算力服务。
亚马逊云科技正推出基于“猫量子比特”的容错计算服务，这种源自薛定谔猫思想实验的量子比特，能天然抵抗比特翻转错误，仅需5个量子比特就能实现纠错，硬件成本降低80%。
亚马逊量子副总裁理查德・哈珀（Chad Harper）解释：“我们的目标是让企业用得起量子算力——目前已有金融机构用它优化资产组合，将风险模型计算时间从3天缩短至4小时。”
第四个领域是人工智能的突破。
量子计算的并行处理能力，既能破解现有加密体系，也能推动AI模型训练实现质的飞跃。
内文解释了他深耕量子计算的原因：“先进的人工智能将从量子计算中受益匪浅，它在收集经典机器无法访问的训练数据、优化学习架构方面不可或缺。”当量子比特数突破1000个门槛后，可高效解决大规模梯度优化问题，赋能医疗影像分析、气候模拟等复杂场景。
此外，量子计算的应用可以深化基础科学认知。
从黑洞物理到量子磁性材料，“量子回声”提供了观测微观世界的“新眼镜”。德沃雷特表示：“我们正在打开一扇经典计算机永远无法触及的大门，容错量子计算机将在本世纪末成为现实。”
04实用化面临的四重瓶颈
尽管量子计算拥有广阔的前景，并且已经进行了一些商业化的尝试，但要真正实现其实际应用，仍需经历一段不短的发展过程。
首先，量子计算的算力存在局限性。目前，量子计算的演示仅限于简单分子，而要模拟复杂系统，硬件的保真度需要提升3-4倍。谷歌团队表示，他们希望在未来一两年内实现“有用的、超越经典的”计算里程碑。
其次，结果验证是一个难题。尽管“量子回声”可以通过量子设备进行交叉验证，但目前全球尚无其他设备能够胜任这一任务。未参与研究的计算机科学家斯科特・阿伦森（Scott Aaronson）提醒我们：“这是过去数年量子计算领域面临的最大难题之一，尽管如此，前方的道路依然漫长。”
第三，量子计算的成本门槛高昂。一台超导量子计算机的造价高达数千万元，并且需要专门的工厂进行生产——谷歌圣巴巴拉（Santa Barbara）工厂就是世界上为数不多的量子芯片专属工厂之一，这限制了技术的普及。
第四，存在认知上的争议。英国萨里大学（University of Surrey）的艾伦・伍德沃德（Alan Woodward）指出，谷歌的测试使用的是“为量子计算机量身定做的工具”，“这就像无法将苹果与橘子进行比较一样”。
谷歌在量子计算方面的突破，有些类似于1946年第一台电子计算机诞生的时刻。目前，它可能只能解决特定的问题，但已经预示了算力革命的方向。
正如皮查伊与马斯克所畅想的，未来甚至可能通过Space X星舰搭建“太空量子集群”。而中国在相干光路线的商业化突破、超导路线的快速追赶，使得这场技术革命更加多元化和充满活力。
随着错误纠正技术的升级、量子比特数的扩容以及算法的创新，未来10年，量子计算有望从实验室走向医疗、能源、通信等核心领域，成为与人工智能并列的“时代变革性技术”。
潘建伟院士的判断或许是最好的注脚：“量子计算不是替代经典计算，而是开启了一个全新的算力维度，就像电力改变了工业时代一样，它将重塑数字文明的底层逻辑。”