在过去的 20 年里，包括、和 等巨头在内的数百家公司已在量子计算的热潮中提出了自己的主张。到目前为止，投资者已经投入了超过 50 亿美元。所有这些努力只为一个目标：创造世界上下一个大事件。

  量子计算机在原子和亚原子的尺度上，通过量子力学的原则来处理信息，这是传统或经典计算机没办法实现的。专家们认为这项技术将会在药物发现、密码学、金融和供应链物流等不相同的领域发挥重要的作用。

  承诺当然存在，但炒作也是如此。例如，2022 年，美国银行研究董事总经理哈伊姆·伊斯雷尔（Haim Israel）宣布，量子计算引发的科技革命将比火的使用意义更大，它将比人类社会经历的所有革命所引发的变革都要大”。

  但是即使在科学家中，一系列的说法和恶毒的反诉，也使量子计算成为一个难以评估的领域。

  然而，最终评估我们在构建有用的量子计算机上是否取得进展的核心因素在于：我们是不是能够处理噪音。

  量子系统的微妙性质使其极易受到最轻微的干扰，无论是由热量产生的杂散光子、来自周围电子设备的随机信号、还是物理振动。这种噪音会严重破坏计算结果，造成错误，甚至使量子计算停止。

  不管你的处理器有多大，也不管你的杀手级应用可能是什么：除非噪音能够被抑制，否则量子计算机将永远都不可能超过经典计算机的计算能力。

  多年来，研究人员认为他们可能只需要处理有噪声的电路，至少在短期内是这样的。许多人都在寻找能在有限容量下做一些有用事情的应用程序。但是，这些研究进行得并不是非常顺利。

  在过去的几年里，理论和实验的突破使研究人员能够有底气宣布，噪音问题可能最终会解决。

  硬件和软件策略的结合有望抑制、减轻和消除量子错误。这不是一种特别优雅的方法，但看起来确实可行，而且比任何人预期的都快。

  总部位于英国剑桥的量子计算公司 的量子科学副总裁厄尔·坎贝尔（）说：“我看到了可以为乐观主义辩护的更多证据。”

  即使是强硬的怀疑论者也被说服了。例如，芬兰赫尔辛基大学教授萨布瑞娜·曼妮萨克（）研究了噪声对计算的影响。她说，十年前，她还在否定量子计算。

  她说：“我认为确实存在一些根本性的问题。我不确定会不会有出路。”然而，现在她正在利用量子系统模块设计改良版的光激活癌症药物，这些药物在较低浓度下就能发挥作用，并能被危害较小的光激活。

  她认为这一个项目离成功只有两年半的时间。对于曼妮萨克来说，“实用量子计算”时代即将到来。

  而在实用量子计算时代中，对于许多工作来说，使用量子计算机来处理将会比使用经典处理器高效得多。她说：“事实上，我非常有信心，我们很快就会进入实用量子计算时代。”

  这一突破性时刻是在经历了十多年的失望之后出现的。在 2000-2010 年左右，构建和运行真实世界量子计算机的研究人员发现，它们的问题远比理论家们所预估的要严重。

  对一些人来说，这样一些问题似乎是无法克服的。但其他人，如杰伊·甘贝塔（），并不担心。

  图 杰伊·甘贝塔（）是 量子计算机开发项目的领导人之一，同时他也提出了将量子计算放入云中的提议，并将其付诸实践（来源：PETER GARRITANO）

  是一个说话轻声细语的澳大利亚人，拥有澳大利亚黄金海岸格里菲斯大学的物理博士学位。他之所以选择去那里，部分原因是这里能满足他想冲浪的心愿。

  但在 2004 年 7 月，他离开了这里，跳到北半球来到美国耶鲁大学开始研究光的量子特性。

  三年后（得益于纽黑文周围的寒冷海水的训练，那时他已经是一名冲浪运动员了），搬到了更北的地方，来到了加拿大安大略省的滑铁卢大学。

  然后他了解到， 希望在量子计算方面有更多的实践经验。2011 年，成为了该公司的新员工之一。

  的量子工程师一直忙于构建经典计算机二进制数字或比特的量子版本。在经典计算机中，比特是一个电子开关，有两种状态表示 0 和 1。而在量子计算机中，事情并不会像经典计算机那样黑白分明。

  如果与噪声分隔开，量子比特或“量子位”能够以这两种可能状态的概率组合存在，这有点像中间抛硬币。量子位的这种性质，以及它们与其他量子位“纠缠”的潜力，是量子计算革命性的关键。

  加入该公司一年后，发现每当他在会议上与物理学家同行会面时，他们都会请他用 量子计算机测试他们的最新想法。

  几年内，开始对大量的请求犹豫不决。他回忆道：“我开始觉得这太疯狂了，为什么我们只为物理学家做实验？”

  他突然想到，如果他能找到一种让物理学家自己操作 量子计算机的方法比如利用云计算，这样的话他的生活可能会更轻松。

  他向老板提到了这一点，然后在 2014 年末的一次聚会上，他有五分钟的时间向 的高管们推销这个想法。他们唯一问的问题是是否确定自己能成功。“我答应了，”他说，“我想，这有多难？”

  事实证明，这十分艰难，因为 IBM 的高管告诉，他一定要尽快完成这项工作。“我想花两年时间做这件事，”他说。但他们只给了他一年时间。

  这是一个艰巨的挑战：当时他几乎不知道云是什么。幸运的是，他的一些同事做到了，他们可以升级团队的远程访问协议，这对于在晚上或周末调整机器很有帮助，并让他们创建了一套可以从世界任何地方访问的接口。

  世界上第一台使用五个量子比特构建的云访问量子计算机于 2016 年 5 月 4 日午夜上线。这一天被称为“星战日”，这是一个科学狂热者们为自己创造的节日。甘贝塔笑着说：“我认为高层管理层中没有人意识到这一点。”

  并不是说高层管理层对发布日期的反应是他最关心的。他说，更令人担忧的是，这反映了多年幕后开发工作的系统，是否能在与现实世界连接之后幸存下来。

  他说：“我们正真看到了第一批申请的到来。我们大家可以看到它们在量子计算机上发出 ping 信号。”“当它没有失效的时候，我们开始放松。”

  基于云的量子计算一炮而红。第一周有 7000 人注册，截至月底，注册用户达到 22000 人。然而，他们的冒险表明，量子计算存在一个大问题。

  该领域的最终目标是让数十万甚至数百万的量子位协同工作。但是，哪怕研究人员只是在测试让少数几个量子位协同工作时，就已经发现许多基于理论的有关噪声的假设是与现实完全不同的。

  总会有一些噪音。因为它们在绝对零度以上的温度下工作，那里总是存在热辐射，所以每个人都预计量子比特会受到一些随机撞击。

  但也有非随机撞击。控制电子设备中的气温变化会产生噪音。施加能量脉冲使量子位处于正确的状态时也会产生噪声。

  最糟糕的是，事实上，向一个量子位发送控制信号会在附近的其他量子位中产生噪声。澳大利亚悉尼大学量子控制实验室主任迈尔克·比尔凯克（）说：“你在操纵一个量子位，另一个量子位感觉到了。”

  当量子算法在十几个量子位上运行时，其性能一直令人震惊。在 2022 年的一项评估中，和其他人计算了一种算法在噪声破坏量子位中的信息。

  如果一个已知正确答案的算法运行了 30000 次，但正确答案可能只返回三次。

  虽然令人失望，但它也很有教育意义。说：“人们通过实际使用这一些机器学到了很多。”“我们得知了很多或多或少没有人知道的东西，以及人们已经知道但却不知道该如何来解决的问题。”

  一旦他们从这种嘈杂的声音中恢复过来，研究人员就开始团结起来提出解决方案，有望控制噪音。

  从广义上讲，解决方案可大致分为三类。底层是错误抑制。这是通过经典的软件和机器学习算法实现的，这些算法能不断分析电路和量子位的行为，然后重新配置电路设计和给出指令的方式，以便更好地保护量子位中的信息。

  这是比尔凯克的公司 正在做的事情之一。该公司表示，抑制可以使量子算法产生正确答案的可能性增加 1000 倍。

  另一种方案是“错误缓和”方案，该方案背后的原理是，并不是所有的错误都会最后导致计算不成功。它们中的许多只会使计算偏离轨道。

  通过观察噪声在运行特定算法的特定系统中产生的误差，研究人能将一种“抗噪声”应用于量子电路，以减少计算过程和输出中出现误差的机会。

  这种技术类似于降噪耳机的操作，并不是一个完美的解决方案。例如，它依赖于多次运行算法，这增加了操作成本，并且算法只会估计噪声。尽管如此，甘贝塔说，这种技术在减少最终输出中的错误方面做得很好。

  作为学者的同时也是总部在赫尔辛基的 公司的 CEO，该企业具有一款能在计算完成后清除噪音的方法。

  说：“它基本上消除了后处理中的噪音，就像清理量子计算机的烂摊子一样。”到目前为止，它似乎能在相当大的范围内发挥作用。

  最重要的是，人们在“量子纠错”（QEC，quantum error correction）方面取得了慢慢的变多的成就。QEC 不是在一个量子位中保存一个量子位的信息，而是在一组量子位的量子态中对其进行编码。

  在这其中的某个噪声会引发的错误，比起那些信息被保存在单个量子位时噪声引发的错误，要小得多。通过监测每个额外的量子位，可以检测到任何变化，并在信息变得不可用之前进行纠正。

  长期以来，实施 QEC 一直被认为是实现大规模、耐噪声量子计算的关键步骤之一，即实现该技术所有承诺的机器，例如破解流行加密方案的能力。问题是，QEC 占用了大量的资源。

  被称为表面码的金标准纠错架构，至少需要 13 个物理量子位来保护一个有用的“逻辑”量子位。当你把逻辑量子位连接在一起时，这个数字会膨胀：一个有用的处理器在大多数情况下要 1000 个物理量子位用于每个逻辑量子位的纠错。

  然而，现在有多种理由对此持乐观态度。例如，2022 年 7 月，的研究人员发布了一个表面代码的演示，当更多的量子位连接在一起时，性能会变得更好，而不是更糟。

  表面代码的理论替代方案也被证明是有很大的可能性实现的。2023 年 8 月，包括甘贝塔在内的一个 团队展示了一种纠错技术，该技术能使用额外的 276 个量子位来控制 12 量子位存储器电路中的错误，这比表面代码所需的数千个额外量子位有了很大的改进。

  2023 年 9 月，另外两个团队使用超导电路和离子阱处理器，展示了一种类似的名为 CCZ 门的改进容错电路。

  如此多的噪声处理技术正在蒸蒸日上，这是一件大事，尤其是当我们已发现，使用小规模、嘈杂的处理器来获得有用的信息这一想法已经是不可能实现的时候。

  实际的纠错还没有在商用量子处理器上发生（并且通常不能作为计算过程中的实时过程来实现）。但比尔凯克认为量子计算终于迈出了步伐。他说：“我认为我们现在进展顺利。”“我根本看不到任何根本问题。”

  这些创新与硬件性能的总体改进同时发生，这在某种程度上预示着在正常工作的量子位中基线误差越来越小，以及每个处理器上量子位数量的增加，使更大、更有用的计算成为可能。

  比尔凯克表示他认为很快我们就会看到，有些领域将开始优先选择量子计算机，而非性能最好的经典计算机。

  而目前，无论是性能最好的经典计算机还是量子计算机，面对大规模的任务都显得捉襟见肘，这类任务包括为全国范围的送货卡车车队寻找最佳路线等。

  但是，比尔凯克指出，访问和运行最好的经典超级计算机要消耗大量资金，可能比访问和运行量子计算机花费更多，后者甚至有可能提供更好的解决方案。

  芬兰量子计算机提供商 的 CTO 兼联合创始人 表示：“看看高性能计算中心每天都在做什么。”“他们正在运行耗电量大的科学计算，量子计算机能轻松实现这些计算，而量子计算机的功耗要低得多。”

  量子计算机不必比任何别的类型的机器都更好，就能吸引付费客户。它只需要在性能上具有可比性，运行成本更低。他预计我们将在未来三到五年内在能量维度上实现量子优势。

  长期以来，人们一直在争论研究人员在使用量子计算机与经典计算机竞争时应该瞄准什么目标。

  是选择量子霸权，也就是像追求的目标那样，证明量子计算机可以在一段时间内结果经典计算机永远没有办法解决的问题；还是选择量子优势，当涉及到有用的问题时具有卓越的性能，正如 IBM 所偏好的那样？还是 IBM 最新的流行语量子实用程序？语义反映了“哪些近期目标是重要”的不同看法。

  2023 年 6 月， 宣布将开始从从云处理器中将入门级处理器淘汰，因此其 127 量子位 Eagle 处理器将是该企业来提供的最小处理器。此举旨在促使研究人员第一先考虑真正有用的任务。

  表示，Eagle 是一种“实用规模”的处理器，如果处理得当，它可以“为挑战最佳可扩展经典方法的问题提供有用的结果”

  这是一个有争议的说法，许多人怀疑 Eagle 是不是真的有能力超越经过适当准备的经典计算机。

  但经典计算机已经在努力跟上它， 有更大的系统：433 量子位 Osprey 处理器，也可以云访问，1121 量子位 Condor 处理器，于 2023 年 12 月首次亮相（Gambetta 给 量子处理器命名的方式有一个简单的理由：“我喜欢鸟。”）。

  该公司有一种新的模块化设计，名为 Heron，火烈鸟计划于 2025 年出现，芯片之间的完全量子连接允许量子信息在不同处理器之间不受阻碍地流动，以此来实现真正的大规模量子计算。

  这将使 2025 年成为量子计算可证明可扩展的第一年，甘贝塔说：“我的目标是 2025 年成为展示关键技术的重要一年，使我们也可以扩展到数十万个量子位。”

  的 对这种发展速度感到惊讶。他说：“这一领域的发展速度之快令人难以置信。”“10 年前，当我在这一领域工作时，我从未想过现在会有一个 10 量子位芯片。现在我们已在谈论数百个，未来几年可能会有数千个。”

  不仅仅是 。例如，对平静但有力的进展印象非常深刻。“他们的运作方法不一样，但他们已达到了公共路线图上的里程碑，”他说，“他们似乎在做他们说要做的事。”其他家喻户晓的公司也在拥抱量子计算。

  说：“我们正真看到使用他们的顶级机器，即他们用来制造芯片的机器，来制造量子器件。”

  正在走一条与 截然不同的技术道路：在硅器件中创建量子位，该公司知道怎么大规模制造，并将引起噪声的缺陷降至最低。

  随着量子计算的发展和量子计算机开始处理真实世界的数据，技术和区位多样性对于避免地理政治学问题和数据共享法规问题至关重要。

  例如，有一些旨在维护国家安全的限制，这可能会限制 IBM 和谷歌等跨国巨头的市场机会。2022 年初，法国国防部长宣布量子技术具有“战略利益”，同时宣布了一项新的国家研究计划。

  2023 年 7 月，德国电信宣布与 建立新的合作伙伴关系，以基于云的方式访问量子计算，称这是 DT 客户（DT customers）访问“在欧洲内部构建和管理的真正主权量子环境”的一种方式

  这不仅仅是民族主义的虚张声势：主权很重要。DT 正在领导欧盟委员会开发基于量子的欧盟范围内的高安全通信基础设施；随着大规模量子计算机对标准加密协议构成严重威胁的时代临近，政府和商业组织将希望可以在自己的边界内测试“后量子”加密算法，即能够抵御任何量子计算机的攻击，无论其大小。

  这还不是一个问题。很少有的人觉得破坏安全的大规模量子处理器指日可待。但人们肯定越来越相信，在短短几年内，该领域在别的方面具有变革性和实用化的潜力。

  如今，这种信念是建立在现实世界成就的基础上的。说：“在 Algorithmiq，我们始终相信实用量子计算很快就会实现，但我可以将这种乐观情绪追溯到专利和出版物上。”。

  对她来说，唯一的不利之处在于，并不是任何一个人都像她那样回心转意。她坚持认为，量子计算现在已经存在，但旧的反对意见已经根深蒂固，许多人拒绝看到它。

  “仍然有很多误解：当我看到或听到某些对话时，我会非常沮丧，”她说，“有时候我真希望自己有一根能让人眼界大开的魔杖。”