量子百年系列（2）｜跨越极寒与噪声：超导量子计算如何破壁前行？

【导语】在2025“国际量子年”里，诺贝尔物理学奖授予超导量子计算关键突破，标志着该领域正从实验室走向产业前沿。超导量子计算以惊人算力密度、与半导体工业的兼容性及成熟的电子测控生态脱颖而出，但也面临极低温维持、量子比特“保鲜期”短、制备工艺非均匀性等挑战。谷歌、IBM和中国团队正多元并进，分别在高保真硬件与纠错算法、系统规模化与全栈云平台生态、比特数量与自主产业链建设上取得进展。展望未来，超导量子计算将在专用领域率先突破，中期实现含噪声中等规模应用，远期构建通用容错系统，开启计算范式新篇章。

当我们在上篇中理解了超导量子计算机如何利用“人造原子”进行运算后，一个更现实的问题摆在面前：这台精密的“量子乐器”何时才能奏响变革世界的交响曲？

在2025年这个“国际量子年”，诺贝尔物理学奖呼应了这一浪潮，将其殊荣授予了推动超导量子计算发展的关键突破。这恰逢其时的认可，标志着超导量子计算正在经历从实验室奇迹到产业力量的深刻转变。

图1 2025年“国际量子年”的官方宣传图

（图片来源：Wikipedia）

01 机遇与挑战：在优势与瓶颈间寻找平衡

想象一下，在指甲盖大小的芯片上建造一座“超级城市”，城中的“居民”是数百个量子比特。这就是超导量子计算创造的奇迹——指尖上的超算中心。

为何这条技术路线备受青睐？三大优势让它脱颖而出：

1) 首先是惊人的算力密度。超导量子逻辑门的操作速度达到纳秒级别，比经典计算机的运算节奏快了数个量级。这意味着在执行复杂量子算法时，它能在极短时间内完成海量操作。

2) 其次是与半导体工业的完(wán)美(měi)契(qì)合。制造超导量子芯片的工艺与现有的半导体微加工技术兼容，让我们能够站在巨人肩膀上，快速推进量子芯片的规模化生产。就像用已经成熟的高速公路网络来建设新的交通枢纽，大大降低了工程难度。

3) 最后是成熟的电子测控生态。超导量子计算所需的微波控制、低温电子学等技术，与经典电子信息产业高度重合。这意味着我们不必从零开始构建整(zhěng)个(gè)产业链，显著降低了技术转化的门槛。

然而，这条通往未来的道路依然布满荆棘。三大挑战如同“三座大山”，考验着研究(jiū)者(zhě)的(de)智(zhì)慧：

1) 这台“超级冰柜”的沉重负担是最直观的挑战。维持10至15毫开尔文的极低温环境需要复杂的大型稀释制冷系统，随着量子比特数量的增加，制冷需求呈指数级增长。这就像要为一座不断扩张的城市维持绝对的“寂静”，其难度可想而知。

2) 量子比特的“保鲜期”问题更为棘手。这些娇贵的量子比特只能在几十到几百微秒内保持其量子特性，任何细微的环境噪声——从电磁波动到材料缺陷的振动——都可能让量子比特失去它独特的量子特性。

3) 除此之外，“完美雪花”的制造难题同样不容小觑。由于制备工艺的微观波动，每个量子比特的性能都存在细微差异，就像世界上没有两片完全相同的雪花。这种非均匀性导致每个量子比特都需要个性化定制的控制脉冲，极大地增加了系统校准的复杂度。

02 全球进展：多元并进的产业图景

在全球范围内，超导量子计算正沿着多元化的(de)技(jì)术(shù)路径蓬(péng)勃(bó)发(fā)展(zhǎn)。以(yǐ)谷(gǔ)歌(gē)、IBM和(hé)中(zhōng)国(guó)主要(yào)团(tuán)队(duì)为(wèi)代(dài)表(biǎo)的(de)领(lǐng)先(xiān)力(lì)量(liàng)，分(fēn)别(bié)在(zài)高(gāo)保(bǎo)真(zhēn)硬(yìng)件与纠错算法、系统规模化与全栈云平台生态、以及比特数量与自主产业链建设上形成了独特竞争力，共同推动着整个领域向前迈进。

谷歌：从概念验证到纠错攻坚的前(qián)沿(yán)探(tàn)索(suǒ)者(zhě)

谷(gǔ)歌(gē)的(de)里(lǐ)程(chéng)碑(bēi)式(shì)进(jìn)展(zhǎn)始(shǐ)于(yú)2019年(nián)，其(qí)53比(bǐ)特(tè)“悬(xuán)铃(líng)木(mù)”处(chù)理(lǐ)器(qì)在(zài)特(tè)定(dìng)任(rèn)务(wu)上(shàng)实(shí)现(xiàn)了(le)“量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)”。这(zhè)一(yī)成(chéng)就(jiù)验(yàn)证(zhèng)了(le)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)巨(jù)大(dà)潜(qián)力(lì)，也(yě)展现了(le)谷(gǔ)歌(gē)的(de)两(liǎng)大(dà)核(hé)心(xīn)优(yōu)势(shì)：极(jí)高(gāo)的(de)硬(yìng)件(jiàn)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)与(yǔ)前(qián)沿(yán)的(de)纠(jiū)错(cuò)算(suàn)法(fǎ)。

所(suǒ)谓(wèi)硬(yìng)件(jiàn)保(bǎo)真(zhēn)度(dù)，直(zhí)接关系到量子比特的“保鲜期”，保真度越高，“保鲜”越久，计算越可靠。而在算法层面，谷歌开发的Alpha Qubit智能解码器，巧妙地利用了大家所熟知的人工智能（AI）：通过强大的算法处理海量诊断数据，实时修正量子错误，如同一位拥有高超医术的“量子医生”。这标志着“AI for Science”正成为解决量子纠错这一核心挑战的利器。

IBM：系统布局的“蓝图绘制者”

与谷歌聚焦前沿纠错的策略不同，IBM的优势在于系统工程的规模化能力与全栈生态的构建，这直接应对了前文所述“量子比特数量增加”与“系统校准复杂度高”的挑战。

IBM通过“鹰”、“秃鹫”等系列处理器的迭代，系统性地攻克量子比特规模化集成中的工程难题。同时，他们构建了从硬件、软件到云平台的完整量子生态系统，让用户无需深究复杂的极低温测控系统，即可通过云端访问量子算力。其明确的路线图——计划在2029年推出拥有200个逻辑量子比特的实用化系统，正是这种系统工程思想的体现，为整个产业界指明了迈向大规模容错量子计算的可行路径。

图2 IBM的发展路线图

 中国力量：持续突破的重要贡献者

中国在超导量子计算领域的进步令人瞩目。从2021年的62比特“祖冲之号”实现量子优越性，到2025年初的105比特“祖冲之三号”，中国科研团队用扎实的技术积累证明了自身的实力。

“祖冲之三号”在多项目关键性能指标上已达到国际先进水平。这些突破性的成果，不仅是中国科研实力的体现，也为全球超导量子计算的研究提供了有价值的参考与技术路径，注入了新的发展动能。

图(tú)3 “祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)”号(hào)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)原(yuán)型(xíng)机(jī)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：安(ān)徽(huī)新(xīn)闻(wén)联(lián)播(bō)视(shì)频(pín)截(jié)图(tú)）

03 未(wèi)来(lái)之(zhī)路：从(cóng)专(zhuān)用(yòng)突(tū)破(pò)到(dào)通(tōng)用(yòng)愿景

站在2025年这个时间节点，超导量子计算的未来发展路径正变得越来越清晰。

在近期（未来2-3年），我们将看到量子计算在专用领域的突破。就像早期的计算机主要服务于特定科学计算一样，量子计算机将首先在密码分析、药物筛选、材料模拟等特定问题上展现其独特价值。

中期（5-10年）的目标是实现含噪声中等规模量子计算的应用。这个阶段的量子处理器能够处理更复杂的问题，但仍需要与经典计算机协同工作，共同解决实际应用中的挑战。

远期的愿景无疑是构建通用容错量子计算机。这需要量子比特数量的显著提升和错误率的大幅降低，是实现量子计算全部潜力的终极目标。

结语

在“国际量子年”的荣光与诺奖的激励下，超导量子计算正站在历史的关键节点。这条道路既充满希望，也布满挑战——我们需要在极低温环境下驯服脆弱的量子态，在原子尺度上实现工程学奇迹。

然而，其意义远不止于算力的突破，更标志着一场计算范式的根本转变。正如量子力学在近百年前将人类认知从宏观世界推向微观法则，彻底改变了我们对现实的理解；今天，超导量子计算正在书写的，是一部将人类认知推向更深层次的壮丽诗篇。在这场跨越极寒与噪声的征程中，每一步突破不仅是在为全新的计算时代奠基，更是在为人类探索未知世界点亮一盏新的明灯。

参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)

[1] （“悬(xuán)铃(líng)木(mù)”超(chāo)导(dǎo)处(chù)理(lǐ)器(qì)在(zài)特(tè)定(dìng)任(rèn)务(wu)上(shàng)实(shí)现(xiàn)“量(liàng)子(zi)优(yōu)越(yuè)性(xìng)”）Arute F, Arya K, Babbush R, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor[J]. Nature, 2019, 574(7779): 505-510.

[2] （IBM量子硬件与生态综述）Gambetta, J. M., Chow, J. M., & Steffen, M. (2017). Building superconducting quantum computers with a modular architecture. IBM Journal of Research and Development, 61(6), 10:1-10:10.

[3] （“祖冲之二(èr)号(hào)”实(shí)现(xiàn)“量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)优(yōu)越(yuè)性(xìng)”）Wu Y, Bao W S, Cao S, et al. Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor[J]. Physical review letters, 2021, 127(18): 180501.

[4] （“祖冲之三号”进一步刷新了超导量子计算优越性的世界纪录）Gao D, Fan D, Zha C, et al. Establishing a new benchmark in quantum computational advantage with 105-qubit zuchongzhi 3.0 processor[J]. Physical Review Letters, 2025, 134(9): 090601.

作者：栾春阳 清华大学物理系博士

王雨桐 清华大学物理系博士

审核：党蕾 中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)高(gāo)能(néng)物(wù)理(lǐ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)高(gāo)级(jí)工(gōng)程(chéng)师(shī)

策(cè)划(huà)：翟(dí)国(guó)庆(qìng)

出(chū)品(pǐn)：

注意：封面图为版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷