在旧金山湾东南边缘附近一个办公园区的低矮建筑内，一组白色储罐沐浴在蓝色光芒中。储罐内部是蚀刻在芯片上的超导电路阵列，全部由金色吊灯状结构支撑，并通过液氦和液氮冷却。

这些超导芯片在隔壁的洁净室中制造，身着白色防护服的工作人员在那里操作着房间大小的机器、通风橱和酸浴槽。这座设施 ——芯片、储罐、洁净室以及建筑后方储量巨大的液氮 ——全部服务于同一个梦想：量子计算机。

图为 2025 年在纽约州约克镇高地的 IBM 托马斯・J・沃森研究中心拍摄的 IBM 量子系统二号，这是一款模块化量子计算机。

这个地点是量子计算公司里格蒂计算（Rigetti Computing）在加利福尼亚州的主要制造工厂；每个制冷储罐中都装有一台里格蒂顶级的量子处理单元（QPU）。专家们希望，有朝一日量子计算机能够以比我们身边所有经典计算机快数个数量级的速度执行某些类型的计算。“我们说的是快一百万甚至十亿倍，而能耗却只有极其微小的一部分，” 里格蒂首席执行官苏博德・库尔卡尼告诉我，“这就是量子计算的魅力所在。我们有可能解决今天无法解决的问题。”

里格蒂只是数十家希望利用这一可能性获利的机构之一。在过去 20 年里，里格蒂这样的初创公司以及 IBM 和谷歌这样的巨头已经在量子计算领域投入了巨额资金 —— 仅 2023 年，风险投资家就投入了 12 亿美元。这也是全球各地大学和政府实验室的重要研究课题。所有人都在追逐这个梦想，但梦想的具体内容却因人而异。风险投资家和硅谷其他鼓吹者声称，量子计算将为人工智能赋能，或者反之亦然，但专家们对这些说法并不信服。库尔卡尼等人则谈到量子计算机将彻底改变药物研发、天气预报和金融业。各国政府则看重其破解此前无法破解的密码的潜力。

但所有这些预测都并非板上钉钉。量子计算正走到成败攸关的时刻：科学家们希望在未来几十年内，将如今的量子系统扩展到实现真正突破所需的规模，并最终在有用的任务上超越经典机器。如果他们能够做到这一点，量子计算机可能会以各种方式改变世界。但前进的道路上仍有诸多障碍，在量子计算机克服这些障碍之前，我们无法知道它们真正的能力边界在哪里。

量子计算机究竟是什么？

人们很容易说，它是基于量子物理原理运行的计算机。但这个定义并不充分 —— 量子物理支配着所有物质的行为，因此按照这个定义，所有计算机都将是量子计算机。同样，仅仅说量子计算机是在运行中利用了量子现象的计算机也不够。如今几乎所有计算机都基于硅晶体管运行，而我们只能通过量子物理来理解晶体管的工作原理。

要真正回答是什么让量子计算机成为 “量子” 的 —— 以及为什么它们如此难以制造 —— 我们需要谈谈薛定谔的猫。在 20 世纪 30 年代由量子力学奠基人之一埃尔温・薛定谔提出的原始思想实验中，这只著名的猫被密封在一个盒子里，里面有一块放射性金属、一小瓶毒药，以及一个如果检测到金属发出的任何辐射就会打碎药瓶的装置，从而杀死猫。量子物理规定，如果你将盒子密封一定时间，金属块有 50% 的概率会发出辐射。但至关重要的是，在有人测量辐射之前，金属块处于叠加态：一种辐射既已发出又未发出的状态。这意味着毒药瓶也将处于既被打碎又完好无损的叠加态。

因此，在你打开盒子看到结果之前，猫将处于同等的死与活的叠加态。（在量子物理中，什么构成了 “测量” 是一个独立且棘手的问题，包括我在内的许多人都为此写过整本书。）

现在想象一下，你可能因为担心这只可怜的动物而稍微提前打开了盒子。在这种情况下，就在你打开盒子之前，猫仍然处于死与活的叠加态，但叠加态中 “活” 的成分会多于 “死” 的成分。通过等待合适的时间，你可以将猫置于任何你想要的叠加态，拥有任意比例的活与死的成分。

这种可调的叠加态正是量子计算机成为 “量子” 的关键。传统计算机使用晶体管通过只能处于两种状态之一的比特（0 或 1）来执行计算。量子计算机使用量子比特（qubit），它们有更多的选择。就像薛定谔的猫一样，量子比特可以处于 0 和 1 的任意叠加态。

量子比特与这只不幸的猫还有另一个共同点。当被困在盒子里时，薛定谔的猫会与盒子里的其他一切发生纠缠，这意味着它的量子态与金属块、探测装置和毒药的量子态紧密相连。同样，量子计算机必须使其量子比特相互纠缠才能执行计算。但猫与盒子里其他一切的纠缠是以不受控制的方式发生的，而量子计算机必须严格控制其量子比特之间的纠缠：哪些量子比特相互纠缠、纠缠的程度以及方式。

这种可控纠缠的量子比特组合，正是量子计算机能够完成经典计算机无法完成的 “绝技” 的原因，至少在理论上是如此。对于足够大的量子计算机来说，最受吹捧的能力之一是使用一种名为肖尔算法（Shor's algorithm）的技术，比标准计算机快得多地计算非常大的数的因数。该算法以麻省理工学院理论计算机科学家彼得・肖尔的名字命名，他于 1994 年发明了它。

“更快” 这个词其实有些轻描淡写：理论上，使用肖尔算法，量子计算机可以在几天内分解一个经典超级计算机需要数百万年才能分解的数。这个速度惊人的算法听起来可能像是一个小众应用，但经典计算机难以分解大数这一事实，正是大多数现代加密技术的基础，尤其是互联网上使用的各类加密技术。因此，量子计算机不仅仅是一个优秀的密码破译者 —— 它有可能破解支撑整个互联网的密码系统。毫不奇怪，发展量子计算机已经成为世界各国安全机构的优先事项。

量子计算机还可能利用其对自身量子比特的出色控制能力，以前所未有的水平模拟自然，以经典计算机（缺乏自然的量子特性）根本无法企及的细节来模拟原子和分子的相互作用。这些能力可能会在基础物理和化学领域，以及材料科学、药物研发等应用研究领域带来突破。库尔卡尼等人认为，量子计算机还可能比经典机器更好地解决一些我们更熟悉的问题，例如模拟金融市场和地球气候。

然而，有一个问题

薛定谔的猫无需任何特殊努力就会与盒子里的其他一切发生纠缠——任何相互作用的物体之间都会自然产生纠缠。此刻，你正在与周围的空气、你坐着或站着的表面，以及你正在阅读这些文字的屏幕或杂志发生某种程度的纠缠。这种量子系统与其环境之间产生的自然纠缠被称为退相干。

退相干对量子计算机的计算能力是致命的。为了让量子处理器保持对其量子比特及其纠缠的至关重要的控制，它在工作时必须与世界其他地方隔离开来。它还必须对自身量子比特所有原子组件之间的物理相互作用保持高度控制。即使在极短的一瞬间，这也绝非易事。防止量子计算机组件之间发生不必要的相互作用，是阻碍如今相对简陋的量子计算机发展为科学家和工程师们所期望的更大、更强大系统的主要障碍之一。研究人员采用的主要策略之一是将量子计算机保持在极低的温度下，因为热量——原子的随机运动——会产生意外的纠缠。

这一挑战与量子计算领域最大的未解之谜息息相关：制造量子比特的最佳方式是什么？标准计算机中的比特是通过固态芯片上小型电子门的电压变化或硬盘磁盘上的磁畴来实现的；控制这些比特已经足够令人印象深刻和困难了。但量子比特需要更精细的控制：为了执行计算，量子计算机必须能够将其量子比特置于特定的初始量子态，然后通过一系列量子逻辑门来控制它们的纠缠，同时保持它们与环境的完美隔离，并防止它们以不必要的方式相互作用或与量子计算机的其他组件相互作用。在 20 世纪 80 年代量子计算机首次被提出后的多年里，一些专家怀疑它们是否能够被制造出来。（少数研究人员仍然认为，有用的大型量子计算机无法被制造出来。）但在过去 20 年里，科学家们已经开发出了可工作的量子计算机，尽管规模相对较小，最多只有几百个量子比特。这些机器过于简单，除了一些小型示例问题外，无法执行肖尔算法的高级技巧或量子模拟等有趣的计算。将它们扩展到更有用的规模，意味着要在最佳技术路线上下注。

量子比特可以由许多不同的材料制成。研究人员已经设计了多种可能的架构，但目前尚未就最佳选择达成共识。“有很多种方法可以做到这一点，每个人都认为自己的方法是最好的，” 马里兰大学联合量子研究所的物理学家阿莱娜・格林说。

两种主流的量子比特技术路线是超导电路和俘获原子 / 离子。前者是由铝或钽等超导材料制成的微型电子电路，这些材料在超低温下没有电阻。它们的优势在于，我们可以利用现有计算机芯片制造技术的变体来制造它们，而且运行速度快。超导量子比特的缺点是，每个芯片由数十亿万亿个原子组成，即使在绝对零度以上百分之一度的温度下，如此多的原子存在也意味着芯片会在几十微秒内发生退相干。

另一种受欢迎的策略是用单个原子制造量子比特。这种方法的优势恰好是超导量子比特的劣势：当只涉及一个原子时，更容易防止其发生退相干。俘获原子或离子量子比特可以保持相干状态达数毫秒之久。但单个原子的运行速度较慢（而且工程师无法借助传统的计算机芯片制造技术）。结果是，至少在目前，这两种类型的量子比特在退相干之前能够执行的计算数量大致相同。尽管当今最强大的量子计算机使用超导量子比特，但原子和离子路线也紧随其后。

但最终，为了实现其潜力，量子计算机需要找到方法，至少在一定程度上提高对控制失误的容忍度。由于退相干和其他不必要的量子效应，量子计算中不可避免地会出现错误。虽然没有办法完全阻止退相干，但有一种方法可以通过利用理论量子计算领域的另一个著名成果来补偿量子计算机中的一些错误：量子纠错。值得注意的是，在某些情况下，这个过程可以检测并纠正量子比特状态中的意外错误，而不会完全破坏其叠加态或与其他量子比特的纠缠 —— 这类似于在不完全打开盒子的情况下，调整薛定谔的猫的死与活的比例。

这种量子纠错码的存在，使得实现量子比特执行肖尔算法和其他复杂量子计算任务所需的高可靠性变得更加可行。但这种帮助是有代价的。量子纠错通过将多组量子比特组装成 “逻辑比特” 来工作，通过用许多实际的物理比特来表示每个逻辑比特，为每个逻辑比特构建一种量子冗余，这样单个物理比特的错误就不那么重要了。为了使纠错良好运行，每个逻辑比特必须由大量物理比特组成 —— 大约 100 到 1000 个。而要在任何有意义的问题上运行肖尔算法，或者几乎任何其他有用的应用，量子计算机必须拥有数千个逻辑比特。因此，为了让量子计算机实现其期望的潜力，如今只有几百个物理比特的系统必须扩展到数百万个物理比特，并且它们之间的纠缠能够被精细控制。

然而，最近的突破给了一些研究人员希望，量子纠错可能只需要少得多的物理比特就能实现。在最近的一项研究中，加州理工学院和量子计算初创公司 Oratomic 的研究人员提出了一种量子纠错方法，每个逻辑比特只需要大约 5 个物理比特，将实现肖尔算法的门槛降低到了约 10000 个量子比特。这项研究尚未经过同行评审，但如果结果成立，那么建造能够运行肖尔算法的量子计算机可能比预期的更早实现。

即便如此，该领域面临的最大问题仍然存在：量子计算机需要多长时间才能扩展到有用的程度？尽管在过去 60 年里，传统计算机的性能按照摩尔定律快速增长 —— 该定律以英特尔联合创始人戈登・摩尔的名字命名，预测芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番 —— 但没有任何保证量子计算机会遵循同样的指数趋势。摩尔定律并不是真正的自然法则 —— 但退相干的必然性却是。

肖尔算法之外

所有这些对肖尔算法的关注不仅仅关乎密码学和国家安全。这个著名的算法是科学家们唯一确定能够让量子计算机比经典计算机快得多地完成某项任务的算法。“人们长期以来一直在寻找其他类似肖尔算法的算法，但一直没有找到，” 格林说，“一个都没有。” 设计量子算法非常困难。证明这些算法明显优于现有的非量子算法也同样困难，而证明它们优于任何可以想象的非量子算法通常是极其困难的，甚至是不可能的。

科学家们对使用量子计算机模拟自然的量子方面最为乐观。“量子计算机最初被提出的原因，就是你可以用它们来模拟量子系统，” 加州大学伯克利分校的量子计算机科学家尤因・唐说。但即使是这种量子模拟，量子计算机也可能无法击败经典计算机。“没有多少非常具体的计划，说明用量子计算机做什么能带来可证明的量子优势，” 唐说。格林对此表示赞同。“不幸的是，很难做出量子模拟肯定会优于经典计算的可证明陈述，” 她说，“但我们认为这应该是真的。”

即使量子计算机确实如看起来相当可能的那样，更擅长模拟某些量子系统，即使科学家们能够设计出更多像肖尔算法那样，比已知经典算法具有明显且巨大优势的算法，量子计算机仍然不会在大多数任务上击败经典计算机。“那种认为量子计算机能比经典计算机更快地做任何事情的想法 —— 这完全是不正确的，” 麻省理工学院电气工程、计算机科学和物理学教授、最近被谷歌收购的一家量子计算初创公司的联合创始人威廉・奥利弗说，“据我们目前所知，只有某些具有特定内部结构的问题，才能让量子计算机利用其量子特性。”

在量子计算机的最佳情况下，它们将是用于解决特定类型挑战的专用设备。它们极有可能与数据中心或超级计算集群中的经典计算机一起使用 —— 而不会被微型化到我们的手机中。“量子计算擅长的事情，并不是人们每天都需要做的事情，” 格林说。30 年后，你的药柜里可能会有一款由量子计算机上运行的模型开发的处方药 —— 但你几乎肯定不会拥有自己的量子计算机。

然而，该领域仍然存在的不确定性并没有阻止商界对量子计算做出经济预测。2024 年，波士顿咨询集团预测，到 2040 年，量子计算机将创造 4500 亿至 8500 亿美元的价值。“短期内量子计算面临的障碍…… 并不会威胁到该技术或市场的长期发展，” 报告作者声称。然而，同一集团表示，其 2021 年基于量子硬件和软件改进的价值创造预测过于 “乐观”。

这种对量子计算未来的自信估计很难让人认真对待，因为尽管该领域迄今为止取得了诸多进展，但它仍然是一个充满未知的新领域。“量子计算是真实的，它正在发生，而且需要时间，” 奥利弗说，“这需要工程努力，而且仍然有科学问题需要解决。一切还没有完全尘埃落定。” 他估计，我们可能在大约 20 年后拥有更大规模的量子计算机。“无论这个时间框架是多少，我们都将使用它们从科学的角度更好地理解我们周围的世界。”

当我问格林她预计什么时候会有好用的量子计算机时，她给了我一个直率的回答：“我不知道，我也不愿意做出预测，而且如果你能找到任何愿意预测的物理学家，我会非常惊讶。” 尽管如此，她还是期待着那个未来，无论它何时到来。“有一类问题…… 我们用经典计算机永远没有机会解决，” 她说，“对我来说，量子计算最有前途的应用，就是有可能解决这些问题。”

现实是，我们根本不知道量子计算机会发生什么。我们所知道的是，这个领域令人兴奋，它面临的科学挑战很有趣 —— 而且任何说自己确切知道未来会怎样的人，可能都是在向你推销东西。