2025年8月13日，墨子沙龙邀请到中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计算机总师朱晓波，在上海图书馆东馆为观众带来题为“量子计算的机遇与挑战”的讲座。朱晓波教授以深入浅出的讲述，解析了该领域发展现状与宏伟蓝图，为观众们带来了一场关于量子计算的前沿科普盛宴。本文根据现场内容整理而成。
人们常常探讨宏大的宇宙，今天则要聚焦于微观的量子世界。量子研究关注的是物质世界最微观的层面，而量子与量子计算有何关系？为何量子计算如今受到如此广泛的关注？它的前景究竟如何？我希望通过今天的交流，为大家提供一个关于该领域前沿的客观认识。
量子计算“出圈”原因
我们可以观察到一个显著的现象，量子计算已经从科研圈“出圈”了。科研界许多进展并不为大众所知，但量子计算却成为了社会性事件。
例如，微软CEO曾高调宣布其首款拓扑量子芯片即将成功，随即引发了科学界的讨论，我国教授在其推特下直言“No, you didn't”。去年底，谷歌宣称其实现了“最强的量子优越性”，马斯克等知名人士的转发更使其广为人知。谷歌宣布新一代量子处理器当天，其股价上涨了6%，市值增加约1200亿美元。
这表明量子计算已不仅是科研圈内的事务，更成为涉及金融、产业乃至国家战略的焦点。美国将量子信息列为与中国高科技竞争的关键领域之一，实施严格的设备仪器和技术上的封锁。量子计算受到如此高度关注，有其深刻原因。
过去几十年，人类最大的变革是进入信息化社会。然而，一个巨大的矛盾随之产生：我们收集和处理信息的能力远远跟不上信息爆炸的需求。当前人工智能热潮的根基之一就是算力的巨大提升，这也使英伟达成为全球市值最高的公司之一市值约4万亿美元。但矛盾在于，基于传统半导体工艺的计算能力正面临瓶颈。著名的摩尔定律，即芯片性能会定期翻倍、成本会随着时间下降，已逐渐失效。现实中，所谓的“几纳米”工艺更多是等效概念，成本也未呈指数级下降。计算能力遭遇的瓶颈，促使人们探索全新的信息处理手段。而量子计算因其潜在的“指数级加速”能力，被视为终极或现阶段最佳的解决方案之一。
量子计算的威力：指数级加速
量子计算的特别之处在于其信息处理能力。它在某些问题上具有“指数加速”能力。指数增长的威力巨大：全球所有硬盘的总存储容量约为270比特量级。210是1K，220是1M，230是1G，1T硬盘约240比特。量子计算每增加一个量子比特，其能承载的信息空间就指数级扩大（1比特：2种状态，2比特：22=4种状态，3比特：23=8种状态）。一个70比特的量子系统，其可能状态数量远超全球硬盘的存储能力。若能有效操控这样的系统处理海量数据，将带来革命性的计算模式。经典计算机的信息处理能力是线性或多项式增长的，而量子计算在信息承载能力上是指数增长的，这正是其备受瞩目的根本原因。
然而，实现量子计算机极其困难。量子系统极其微小且脆弱（如单个电子、原子），需要对其每一个单元进行精确操控，并保证其像经典计算机一样稳定可靠地长时间工作。这要求将人类精密测量和操控能力推向极致。量子计算领域的核心挑战，就是建造一台实用化的量子计算机。这是全球众多科学家和公司努力的目标，每一点进展都可能引发热潮。
业内普遍认为，一台通用的量子计算机至少还需要10到15年时间。所有能构成量子比特的物理系统都在被研究，量子计算的科学研究正在走向规模化。目前比较活跃、被认为有潜力走向规模化的技术路线包括：超导、光量子、离子阱、金刚石色心、硅基半导体、拓扑量子计算等。但这些领域存在一个根本性矛盾：一方面需要将大量量子比特集成（可扩展性），另一方面又要求每个量子比特性能优异、与环境高度隔离（隔离性），以便精确操控。这如同要求个体既“自闭”又拥有庞大“朋友圈”，难度极高。
现代科技已能在多个体系中熟练操控单个粒子（如量子通信、精密测量领域）。但量子计算需要在此基础上实现大规模集成，难度可想而知。这也是大量资源投入该领域的原因。
量子计算发展路线图
衡量量子计算机能力有两个核心指标：量子门操作的错误率（保真度）和可用的量子比特数量。这与经典计算机类似（比特数、操作速度、错误率），但量子计算目前更关注前两者（保真度和可用量子比特数）。
业界常用一张图表来描述发展阶段。纵轴是错误率，横轴是比特数（通常为对数坐标）。存在一个“经典可模拟”区域：即使比特数庞大（如百万级），若错误率高（如10-1），结果也因错误累积而无效。只有当比特数和错误率同步优化到一定程度，才能进入“量子优越性”（Quantum Advantage）区域。这个区域大致在几十到上百个比特、错误率在10-2量级附近。原因在于：全球硬盘总容量约270比特，当量子比特数接近50-100个，若能以足够低的错误率运行一个有意义的算法，其状态空间之大已无法用经典计算机存储和模拟。
目前，在超导量子计算机体系中，仅有谷歌的“悬铃木”（Sycamore）及中科大的“祖冲之号”系列达到了量子优越性，即比特数超50，错误率降至千分之几。这标志着量子计算的第一个里程碑：在特定问题上证明量子计算具有超越经典计算的指数加速能力。需要说明的是，谷歌去年底宣称的1025年问题，即“随机线路采样”问题，正是此类演示。虽然该问题目前尚无重大实际应用场景，但其科学意义重大——它首次实验验证了量子计算的指数加速原理。
量子计算探索方向：NISQ与量子纠错
量子计算的第二阶段目标是在“中等规模含噪声量子计算机”（NISQ）上，针对有实际应用价值的问题展示量子优越性。这非常困难，因为现有硬件能力，比特数、保真度和算法均不成熟。业界还面临一个严峻现实：随着比特数增加，错误率似乎难以进一步降低。例如，单个比特操作精度可达千分之一，但大规模集成后整体精度提升很困难。这导致量子计算机的最终错误率可能停留在千分之一到万分之一水平。
然而，实现“通用容错量子计算机”，即错误率低至至少10-10量级，才是终极目标。这里我们要提出“量子纠错”：也就是利用多个物理比特冗余编码一个逻辑比特的信息，通过多数表决等机制纠正错误。理论证明，只要物理错误率低于某个阈值，约10-2，通过量子纠错就能实现错误率更低的逻辑比特，最终走向通用容错。
因此，量子计算发展分为三阶段：第一阶段是量子优越性：就是在特定问题上超越经典计算，这如超导、光量子、离子阱共三套系统中已经实现；第二阶段是实用量子优越性，就是在有实际价值的问题上超越经典计算，这个正在探索，难度极大；第三阶段是通用容错量子计算，实现可编程、错误率极低的量子计算机，这是我们的终极目标。当前，科学研究集中在两方面：在有实用价值问题上展示量子优越性，以及推进量子纠错研究。
中国量子计算最新进展
我从事超导量子计算研究。超导量子计算机主要由三部分组成：超导量子处理器芯片（采用类似半导体的工艺，但使用超导材料）、极低温极低噪声环境平台、控制硬件。其核心难点在于量子的极端脆弱性，它必须放在非常低温、低噪声的环境中。而超导路线的优势在于，可以借鉴成熟的半导体工艺实现大规模扩展。
中国在该领域进行了全链条布局。由于量子信息被列为禁运领域，我们必须自主研发处理器、电子学、软件等。在量子优越性方面，2019年的谷歌、2020年的中科大光量子“九章”、2021年的超导“祖冲之号”相继取得突破。谷歌去年底的成果宣称解决了需超算1025年的问题。今年3月，我们的“祖冲之三号”亮相，得益于量子比特数和操作深度增加带来的指数级加速，在同类问题上比谷歌最新成果快一百万倍。至此，经典计算界已难以在此类问题上与领先的量子系统竞争。
在量子纠错方面，谷歌和我们实验室都在积极推进。谷歌已初步展示随着比特数增加，错误率指数下降的趋势。我们内部也实现了类似成果。业内预计，在超导等可扩展体系上，未来3-5年，也就是2030年前，有望实现第一个错误率极低的逻辑比特。在此基础上，有望在2035-2040年间建造包含约100万个物理比特（构成约1000个高保真逻辑比特）的通用容错量子计算机。IBM、谷歌等公司也发布了类似的路线图。这样一台机器预计能破解当前广泛使用的RSA-2048密码等。总而言之，量子计算未来一定会给世界带来超越想象的深远影响。
问答环节
问：对普通人而言，除了浏览相关论文外，关注素因数分解问题是否就能追踪量子计算实用化的进程？
答：素因数分解在纠错实现前将长期是演示性质。科学家更可能优先在量子机器学习、人工智能、化学模拟等对硬件要求相对较低的近期应用上取得成果。更直接的指标是关注比特数和保真度这些硬核指标，比如祖冲之三号约100比特，错误率千分之三至四；谷歌垂柳号约100比特，错误率约千分之二。
问：量子计算未来在医疗、网络安全等日常生活领域有哪些可见应用？
答：在通用容错量子计算机实现前（至少10-15年），优越性多停留在纸面。但其终极影响是很明确的：它会破解现有密码体系，需要人类提前防范；可以革新药物研发，精确模拟分子；还可能重塑人工智能范式；量子化学和量子人工智能是重要方向。
问：物理学在量子学方面还有哪些未解难题？量子力学对普通人生活有何明显影响？
答：未解难题是有的，比如量子力学公式能完美描述迄今所有观测到的微观现象，但学界共识它并非终极理论。是否存在更深层机制，其本质是什么，仍是争论焦点。我个人认同其作为实用理论的有效性。量子力学的影响无处不在。材料领域中钢材的硬度、现代技术如激光、半导体、GPS的原理都离不开量子力学解释。信息社会的基础建立在量子力学和相对论等现代物理学之上。可以说，没有量子力学，就没有现代信息社会。
问：量子具有不确定性，如何判断量子计算机的计算结果是否正确？
答：量子算法本身包含概率性。设计算法需确保成功概率足够高。一台百万比特机器破解RSA密码，可能在数小时内以高概率成功。这是量子算法设计的核心难点之一。
问：量子纠错能让量子计算机正确率达到100%吗？
答：不能，只能无限接近100%。例如，错误率降至10-12（正确率0.999999999999），但永远不会绝对为1。
新闻来源：墨子沙龙