构建实用的量子计算机，自 20 世纪 80 年代以来就一直吸引着物理学家和计算机科学家的关注，如今正获得前所未有的发展势头。最近的突破促使科技公司纷纷公布蓝图，希望将量子计算机从实验性结构发展成为切实可行的大规模系统，从而解决当今超级计算机无法解决的问题。

长期以来被视为遥不可及目标的量子计算，如今正逐渐接近现实，因为领先的科技公司正在制定构建可扩展机器的新计划。今年6月，IBM发布了最新的路线图，称其解决了该领域几个最具挑战性的技术难题，为该行业可能最具决定性的时期奠定了基础。

IBM 量子计划负责人杰伊·甘贝塔 (Jay Gambetta) 向英国《金融时报》表示：“这不再像是一个梦了。我真的觉得我们已经破解了密码，我们将能够在 2020 年内制造出这台机器。”

尽管最近取得了一些进展，但前进的道路依然充满艰巨的障碍。即使研究人员解决了基础物理问题，制造商仍然面临着艰巨的工程挑战。亚马逊网络服务量子硬件开发负责人奥斯卡·佩因特（Oskar Painter）警告称，构建一台实用的量子计算机需要大量的工程投入，可能还需要15到30年的时间。

目前的量子原型通常使用不到200个量子比特——相当于传统计算机中的比特——但要实现真正具有工业实用性的机器，需要拥有一百万或更多量子比特的系统。挑战巨大，主要是因为量子比特的量子态维持时间仅为几分之一秒。随着工程师们加入更多量子比特，干扰或“噪声”也会成倍增加，使可靠的计算难度呈指数级增长。

IBM 的 Condor 芯片包含 433 个量子比特，这一挑战显而易见。该芯片的规模引入了“串扰”，即组件之间的一种干扰，会降低性能。

Rigetti Computing 首席执行官 Subodh Kulkarni 表示：“像这样将大量量子比特堆叠在一起，会产生一种我们无法控制的奇异效应。这是一个棘手的物理问题。”

IBM 的应对措施是重新设计其耦合器（连接量子比特的链路），以降低系统受干扰的脆弱性。早期的测试系统依赖于费力的量子比特单独“调整”，这种方法无法扩展到更大的设备。现在，制造商正在开发可靠性和效率更高的量子比特，这需要材料科学和生产领域的持续进步。Google的目标是将组件成本降低十倍，并设定了 10 亿美元用于全尺寸量子计算机的目标。

可扩展性的基石是量子纠错，这种方法使系统能够容忍不完美的量子比特。通过将数据分布在多个量子比特上，纠错可以引入冗余来防止故障。Google量子人工智能硬件负责人朱利安·凯利 (Julian Kelly) 警告称，过早扩展系统可能会浪费资源、产生噪声输出，并耗费大量的工程精力，却无法获得实际成果。

Google展示了一款量子芯片，它可以在不断扩展的规模上进行纠错。它采用了一种名为“表面编码”的技术，每个量子比特都连接到二维网格中的相邻量子比特。要用这种设置实现有意义的计算，需要超过一百万个量子比特。相比之下，IBM 正在研发低密度奇偶校验码，这种技术可以将量子比特需求减少约 90%，但依赖于复杂的长距离连接。凯利警告说，这些连接会给本已极难控制的系统增加新的复杂性。尽管如此，IBM 报告称，在开发此类连接器方面最近取得了突破。

Google量子人工智能实验室用于冷却量子计算芯片的低温恒温器

最显著的进展来自于用超导电路构建的量子比特，就像IBM和Google的机器一样。这些系统必须在接近绝对零度的温度下运行，而且众所周知，控制难度极高。其他方法则使用捕获离子、中性原子或光子作为量子比特。虽然这些方法提供了更高的固有稳定性，但大规模扩展和集成大量量子比特仍然是一项艰巨的实际挑战。

开发囚禁离子的初创公司 Universal Quantum 的首席执行官塞巴斯蒂安·魏特 (Sebastian Weidt) 表示：“尝试扩大规模的成本和技术挑战可能会表明哪种方法更实用。”

魏特强调，未来几年政府的支持可能在确定哪些量子技术可行方面发挥决定性作用，最终将该领域限制在少数能够全面推广系统的公司身上。

人们对量子计算的广泛兴趣正吸引着投资者和政府机构的关注。去年，五角大楼的先进研究机构 DARPA 启动了一项广泛的审查，以确定最有可能快速实现工业应用的量子技术，并挑选了一批领先的公司来测试哪些方法能够提供实用且可扩展的系统。

亚马逊和微软等公司正在探索奇异的物质状态，以追求更可靠的量子比特。这些下一代技术仍处于早期阶段，尽管支持者认为它们最终可能超越当今的量子机器。目前，行业领导者仍在继续完善和扩展多年来实验室研究开发的传统架构。

霍瓦特在谈到目前正处于技术革命边缘的行业时表示：“虽然很难，但并不意味着无法做到。”