近年來，量子計算領域發展迅速，技術進步和大規模投資的相關消息經常上熱搜。

聯合國已將 2025 年定為國際量子科學與技術年。

這其中利害關系重大 —— 擁有量子計算機意味著將獲得相較于當今的計算機強大得多的數據處理能力。它們不會取代你的普通計算機，但這種強大的計算能力將推動醫學、化學、材料科學等領域的發展。

因此，量子計算迅速成為一場全球競賽也就不足為奇了，世界各地的私營企業和政府都在競相建造世界上第一臺全面的量子計算機。要實現這一目標，我們首先需要有穩定且可擴展的量子處理器，即芯片。

什么是量子芯片？

日常使用的計算機，比如你的筆記本電腦，都是經典計算機。它們以二進制數或比特的形式存儲和處理信息。單個比特可以表示 0 或 1。

相比之下，量子芯片的基本單位是量子比特（qubit）。一個量子芯片由許多量子比特組成。這些量子比特通常是亞原子粒子，如電子或光子，通過專門設計的電場和磁場（稱為控制信號）進行控制和操縱。

與比特不同，量子比特可以處于 0、1 或兩者的組合狀態，這也被稱為 “疊加態”。這一獨特屬性使量子處理器能夠以指數級速度比即使是最強大的經典計算機更快地存儲和處理極其龐大的數據集。

制造量子比特的方法有多種，可以使用超導器件、半導體、光子學（光）或其他方法。每種方法都有其優缺點。

像 IBM、谷歌和 QueRa 等公司都制定了到 2030 年大幅擴大量子處理器規模的路線圖。

使用半導體的行業參與者有英特爾，以及澳大利亞的 Diraq 和 SQC 等公司。主要的光子量子計算機開發商包括 PsiQuantum 和 Xanadu。

量子比特：質量與數量

實際上，量子芯片所擁有的量子比特數量不如量子比特的質量重要。

一個由數千個低質量量子比特組成的量子芯片將無法執行任何有用的計算任務。

那么，什么才是高質量的量子比特呢？

量子比特對不必要的干擾非常敏感，這些干擾也被稱為誤差或噪聲。這種噪聲可能來自許多方面，包括制造過程中的缺陷、控制信號問題、溫度變化，甚至僅僅是與量子比特環境的相互作用。

容易產生誤差會降低量子比特的可靠性，這被稱為保真度。為了使量子芯片能夠穩定運行足夠長的時間以執行復雜的計算任務，它需要高保真度的量子比特。

當研究人員比較不同量子芯片的性能時，量子比特保真度是他們使用的關鍵參數之一。

我們如何糾正誤差呢？

幸運的是，我們不必制造完美的量子比特。

在過去的 30 年里，研究人員設計出了理論技術，利用許多不完美或低保真度的量子比特來編碼一個抽象的 “邏輯量子比特”。邏輯量子比特可免受誤差影響，因此具有非常高的保真度。一個實用的量子處理器將基于許多邏輯量子比特。

幾乎所有主要的量子芯片開發商現在都在將這些理論付諸實踐，將他們的重點從量子比特轉向邏輯量子比特。

2024 年，許多量子計算研究人員和公司在量子糾錯方面取得了重大進展，包括谷歌、QueRa、IBM 和澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）。

目前已經有包含 100 多個量子比特的量子芯片。世界各地的許多研究人員正在使用它們來評估當前一代量子計算機的性能，以及研究如何在下一代中使其變得更好。

目前，開發人員只制造出了單個邏輯量子比特。可能還需要幾年時間才能弄清楚如何將幾個邏輯量子比特組合到一個量子芯片中，使其能夠協同工作并解決復雜的現實問題。

量子計算機有什么用途？

一個功能完備的量子處理器將能夠解決極其復雜的問題。這可能會在許多研究、技術和經濟領域產生革命性的影響。

量子計算機可以幫助我們發現新藥物，并通過在臨床試驗數據或遺傳學中找到當前計算機因處理能力不足而無法發現的新關聯，來推動醫學研究。

它們還可以大大提高各種使用人工智能算法的系統的安全性，比如銀行、自動駕駛汽車等。

為了實現這一切，我們首先需要達到一個被稱為 “量子優越性” 的里程碑 —— 即量子處理器能夠解決一個經典計算機需要花費極長不合理時間才能完成的問題。

去年年底，谷歌的量子芯片 Willow 終于在一個人為設計的任務上展示了量子優越性，這是一個計算問題，由于其獨特的工作方式，該問題對經典超級計算機來說很難，但對量子處理器來說卻很容易。

雖然它沒有解決一個實際有用的現實問題，但這仍然是一項了不起的成就，也是朝著正確方向邁出的重要一步，這背后是多年的研究和開發。畢竟，要跑起來，首先得學會走路。

2025 年及以后的前景如何？

在未來幾年里，量子芯片將繼續擴大規模。重要的是，下一代量子處理器將以邏輯量子比特為基礎，能夠處理越來越多有用的任務。

雖然量子硬件（即處理器）一直在快速發展，但我們也不能忽視量子軟件和算法領域的大量研究和開發工作。

研究人員一直在普通計算機上使用量子模擬來開發和測試各種量子算法。這將使量子計算在量子硬件成熟時能夠準備好并投入實際應用。

建造一臺全面的量子計算機是一項艱巨的任務。它需要在許多方面同時取得進展，比如增加芯片上量子比特的數量、提高量子比特的保真度、更好地進行糾錯，以及在量子軟件、量子算法和量子計算的其他幾個子領域等方面取得進展。

經過多年卓越的基礎工作，我們可以期待 2025 年在上述所有方面都能帶來新的突破。

本文轉載自 雪獸軟件
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