最近有朋友問到一個(gè)很關(guān)鍵的問題：很多美股在關(guān)注到的時(shí)候已經(jīng)暴漲過了，如何挖掘出下一個(gè)百倍股呢？這個(gè)問題仁者見仁智者見智，但我認(rèn)為最好的辦法是對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)建立前瞻認(rèn)知，提前布局，買在無人問津時(shí)。

就在最近，2025 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)浇視裕孔佑?jì)算成最大贏家。本期我們就來仔細(xì)聊聊量子計(jì)算，老規(guī)矩用 AlphaEngine 來解讀。量子計(jì)算是一個(gè)非常宏大且精彩的話題，本期是專題的上篇，主要講清楚量子計(jì)算的基本原理、最新技術(shù)突破、核心標(biāo)的清單。下篇我會(huì)詳細(xì)介紹量子計(jì)算目前的六種主流技術(shù)路徑，一二級(jí)市場(chǎng)頭部公司的最新進(jìn)展。

量子計(jì)算行業(yè)正處于從 " 科學(xué)狂想 " 向產(chǎn)業(yè)化落地的關(guān)鍵拐點(diǎn)。

驅(qū)動(dòng)這一轉(zhuǎn)變的核心是量子糾錯(cuò)（QEC）技術(shù)的實(shí)質(zhì)性突破。

當(dāng)前量子計(jì)算處于" 含噪聲的中尺度量子階 "（NISQ，Noisy Intermediate-Scale Quantum）。

每臺(tái)量子計(jì)算機(jī)包含數(shù)十到數(shù)千個(gè)物理量子比特，但這些比特易受環(huán)境噪聲干擾，導(dǎo)致計(jì)算保真度有限，無法執(zhí)行需要高精度的大規(guī)模算法。

因此，產(chǎn)業(yè)界聚焦于專用機(jī)商業(yè)化與混合算法應(yīng)用兩大路徑。

以 D-Wave 的量子退火機(jī)為代表的專用量子計(jì)算機(jī)已實(shí)現(xiàn)部分商業(yè)落地，為金融、物流、制造等行業(yè)提供顯著效率提升，其 2025 年 Q1 營(yíng)收同比增長(zhǎng)超 500% 驗(yàn)證了該路徑的盈利能力。

量子 - 經(jīng)典混合計(jì)算是當(dāng)前最實(shí)用的模式，通過將量子處理器（QPU）與經(jīng)典高性能計(jì)算（GPU）結(jié)合，解決特定復(fù)雜任務(wù)。

英偉達(dá)的 CUDA-Q 平臺(tái)、IBM 的 Qiskit 引擎正加速構(gòu)建此生態(tài)，為量子算力落地提供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

量子計(jì)算的中期目標(biāo)（約 2030 年前后） 是實(shí)現(xiàn) " 含糾錯(cuò)的實(shí)用量子計(jì)算 " ，核心在于通過量子糾錯(cuò)碼（QEC）將多個(gè)含噪聲的物理量子比特編碼成一個(gè)高保真度的邏輯量子比特，從而大幅提升計(jì)算的可靠性。

行業(yè)龍頭已發(fā)布明確的邏輯量子比特發(fā)展路線圖。

Quantinuum 計(jì)劃在 2027 年實(shí)現(xiàn) 100 個(gè)邏輯量子比特。

IBM 規(guī)劃在 2029 年交付包含 200 個(gè)邏輯比特的 Starling 系統(tǒng)，并在 2033 年推出具備 2000 個(gè)邏輯量子比特的 Blue Jay 系統(tǒng)。

量子計(jì)算的長(zhǎng)期目標(biāo)是構(gòu)建全面容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)（Fault-Tolerant Quantum Computing，F(xiàn)TQC），其運(yùn)算錯(cuò)誤率將接近經(jīng)典計(jì)算機(jī)，能夠執(zhí)行 Shor 算法等對(duì)算力要求極高的復(fù)雜算法，從而解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的重大科學(xué)和商業(yè)問題。

FTQC 的核心是具備足夠數(shù)量和質(zhì)量的邏輯量子比特，能夠長(zhǎng)時(shí)間維持量子相干性并執(zhí)行深度復(fù)雜的量子電路。

這將使破解現(xiàn)有公鑰密碼體系（如 RSA 加密）成為可能，并為新材料設(shè)計(jì)、新藥研發(fā)等領(lǐng)域帶來革命性突破。

科技巨頭正為此目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期布局，比如谷歌計(jì)劃在 2030 年實(shí)現(xiàn)百萬物理量子比特的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。

微軟則通過拓?fù)淞孔佑?jì)算這一顛覆性路線，期望從根本上提升量子比特的穩(wěn)定性，以期在未來幾年內(nèi)擴(kuò)展至百萬量子比特規(guī)模。

量子計(jì)算的基本原理一：量子疊加

要理解量子計(jì)算的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，勢(shì)必要先理解量子計(jì)算的基本原理。

量子計(jì)算是基于量子力學(xué)的獨(dú)特行為的計(jì)算模式，以量子比特為基本信息單位。

量子計(jì)算用到了量子力學(xué)的三個(gè)基本特性，即 " 量子疊加 "" 量子糾纏 "" 量子干擾 "，我們一個(gè)一個(gè)來看。

量子疊加是量子力學(xué)的核心特性，它允許一個(gè)微觀粒子同時(shí)處于多種可能狀態(tài)的線性組合中。

經(jīng)典比特在任何時(shí)刻只能是 0 或 1，如同已落地硬幣的正反面。

而量子比特（Qubit）則可以同時(shí)處于 0 和 1 的疊加態(tài)，好比一枚正在旋轉(zhuǎn)的硬幣，包含了 " 正面 "" 反面 " 以及兩者之間的所有可能性。

這種狀態(tài)的不確定性是量子系統(tǒng)內(nèi)稟的物理特性，直至測(cè)量發(fā)生時(shí)，其狀態(tài)才會(huì) " 坍縮 " 到一個(gè)確定的經(jīng)典值（0 或 1）。

量子疊加原理賦予了量子計(jì)算天然的并行處理能力 。

由于單個(gè)量子比特可以表示 0 和 1 的疊加，n 個(gè)量子比特組成的系統(tǒng)便可以同時(shí)表示和存儲(chǔ) 2^n 種狀態(tài)。

這意味著，對(duì) n 個(gè)量子比特的一次操作，等效于對(duì) 2^n 個(gè)經(jīng)典數(shù)值同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。

隨著量子比特?cái)?shù)量的增加，其計(jì)算空間呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的線性算力增長(zhǎng)模式。

這種指數(shù)級(jí)的并行計(jì)算能力，使量子計(jì)算機(jī)在處理特定復(fù)雜問題（如大數(shù)分解、量子化學(xué)模擬）時(shí)，能夠同時(shí)探索海量的可能性，從而突破經(jīng)典計(jì)算的算力瓶頸，展現(xiàn)出巨大的潛在優(yōu)勢(shì)。

量子計(jì)算的基本原理二：量子糾纏

量子糾纏是兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)間存在的非局域強(qiáng)關(guān)聯(lián)，被愛因斯坦稱為 " 幽靈般的超距作用 "。

在這種狀態(tài)下，多個(gè)量子比特構(gòu)成一個(gè)不可分割的整體，其整體狀態(tài)是確定的，但單個(gè)比特的狀態(tài)無法被獨(dú)立描述。

對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，會(huì)瞬間影響到另一個(gè)或多個(gè)糾纏粒子的狀態(tài)，無論它們相距多遠(yuǎn)，這種瞬時(shí)效應(yīng)突破了經(jīng)典物理的局域性限制。

量子糾纏的非局域關(guān)聯(lián)特性，賦予了量子計(jì)算強(qiáng)大的全域協(xié)同能力，這對(duì)解決復(fù)雜系統(tǒng)問題而言至關(guān)重要。

糾纏態(tài)使得量子計(jì)算機(jī)能夠高效處理經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以應(yīng)對(duì)的多體系統(tǒng)問題，例如在量子化學(xué)模擬、新材料設(shè)計(jì)和藥物研發(fā)等領(lǐng)域，通過模擬分子間的復(fù)雜相互作用，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)加速。

量子糾纏也是量子密鑰分發(fā)（QKD）等安全技術(shù)的基礎(chǔ)。

任何對(duì)糾纏信道的竊聽行為都會(huì)破壞其關(guān)聯(lián)性，從而被通信雙方立即察覺，確保信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全。

量子計(jì)算的基本原理三：量子干涉

量子干涉的物理本質(zhì)源于量子態(tài)的波動(dòng)性。

每個(gè)量子比特的疊加態(tài)都可由一個(gè)包含振幅和相位的波函數(shù)描述。

當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)通過不同路徑演化時(shí)，這些路徑對(duì)應(yīng)的波函數(shù)會(huì)發(fā)生干涉。

通過精確調(diào)控量子態(tài)的相位關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉和相消干涉。

當(dāng)不同路徑的波函數(shù)相位一致或相近時(shí)，它們的概率幅會(huì)疊加增強(qiáng)，從而顯著提高最終測(cè)量到該結(jié)果的概率。

反之，當(dāng)波函數(shù)相位相反時(shí)，它們的概率幅會(huì)相互抵消，導(dǎo)致測(cè)量到該結(jié)果的概率降低甚至歸零。

這種通過控制相位來重塑最終結(jié)果概率分布的能力，是量子計(jì)算操控信息的核心物理機(jī)制。

量子算法的核心即是巧妙地利用量子干涉效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典算法的加速。

算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過一系列精確的量子門操作，系統(tǒng)性地調(diào)整計(jì)算過程中各個(gè)路徑的相位，每個(gè)量子門都線性作用在整個(gè)疊加態(tài)上 。

通過設(shè)計(jì)量子門序列，使得所有通往正確答案的計(jì)算路徑產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉，其概率幅被放大，增強(qiáng)正確解。

同時(shí)，確保通往所有錯(cuò)誤答案的計(jì)算路徑發(fā)生相消干涉，使其概率幅被削弱或完全抵消。

通過這種方式，量子系統(tǒng)在演化結(jié)束時(shí)，其狀態(tài)會(huì)以極高的概率坍縮到期望的解上。

這正是 Shor 算法、Grover 算法等能夠高效求解特定問題的關(guān)鍵所在，它們通過干涉效應(yīng)將計(jì)算資源集中于尋找正確答案，從而實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)或平方級(jí)的加速。

量子計(jì)算的六大步驟

總結(jié)一下，量子計(jì)算利用了量子力學(xué)的三個(gè)基本特性，通過量子疊加讓 2^n 條計(jì)算路徑在同一套硬件里同步演化，大幅節(jié)省計(jì)算資源，最后通過量子干涉讓正確答案顯現(xiàn)出來。

從宏觀角度來看，量子計(jì)算過程可分為六個(gè)步驟，如下圖所示。

首先是構(gòu)建物理量子比特（Create Qubits），這是量子計(jì)算機(jī)的硬件基礎(chǔ)，量子比特能夠表現(xiàn)出量子行為，如疊加態(tài)和糾纏態(tài)。

然后是初始化（Initialization），將量子比特重置到一個(gè) " 干凈 " 的起始狀態(tài)，清除所有疊加和糾纏，確保計(jì)算過程一致且無噪聲。常見的起始狀態(tài)是計(jì)算基態(tài) |0 ，也叫 "ket zero"。

第三步是應(yīng)用量子門（Run Gates）。通過量子門將量子比特置于疊加和糾纏狀態(tài)，把要解決的問題 " 編碼 " 進(jìn)量子系統(tǒng)中。

第四步是執(zhí)行量子算法（Circuit Execution）。這里的量子電路（Circuit）指的是為完成特定計(jì)算任務(wù)而設(shè)計(jì)的一系列量子門的組合。

第五步是演化（Evolution）。通過量子電路，以特定順序應(yīng)用量子門，可以處理編碼后的量子態(tài)，量子門通過相長(zhǎng)或相消干涉實(shí)現(xiàn)特定的量子邏輯，推動(dòng)系統(tǒng)演化。

第六步是測(cè)量（Measurement）。當(dāng)所有操作完成后，量子比特的狀態(tài)中應(yīng)包含問題的解。

此時(shí)進(jìn)行測(cè)量，量子比特會(huì)從量子態(tài)坍縮為經(jīng)典比特，供后續(xù)分析或決策使用。

值得注意的是，測(cè)量后的量子比特并不會(huì) " 永久變成經(jīng)典比特 " 或失去作用，它們可以被重新初始化，回到基態(tài)，用于未來的量子計(jì)算。

量子計(jì)算的主流技術(shù)路徑

目前全球量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)采用的六條主流技術(shù)路線，分別是：超導(dǎo)、離子阱、光子、中性原子、拓?fù)?、自旋?strong>每種技術(shù)路徑因計(jì)算方法的科學(xué)本質(zhì)不同而各有優(yōu)劣，尚未有單一技術(shù)路線形成絕對(duì)主導(dǎo)。

從成熟度來看，超導(dǎo) ≈ 離子阱 > 光子 ≈ 中性原子 > 自旋 > 拓?fù)?/strong>。

光子與中性原子技術(shù)路徑的長(zhǎng)期擴(kuò)展性更強(qiáng)，超導(dǎo)和自旋適合中期過渡。

截止目前，超導(dǎo)（IBM 127 量子比特處理器）、離子阱（IonQ 32 量子比特）已進(jìn)入云服務(wù)階段，率先嘗試商業(yè)化，下面分別來看。

超導(dǎo)量子計(jì)算的核心在于構(gòu)建約瑟夫森結(jié)（Josephson Junction）， 利用了超導(dǎo)材料在極低溫（約 10mK）環(huán)境下的宏觀量子效應(yīng)。

IBM 公司在推出 1121 個(gè)量子比特的 "Condor" 處理器后，該處理器將錯(cuò)誤率降低了 3 — 5 倍，并計(jì)劃在 2025 年內(nèi)發(fā)布擁有 1386 個(gè)量子比特的 "Kookaburra" 處理器，持續(xù)鞏固其在規(guī)?；系念I(lǐng)先地位。

Google 公司則通過其新一代 "Willow" 芯片，將量子比特的有效計(jì)算時(shí)間提升至 100 微秒，相比前代產(chǎn)品性能提升了 5 倍，顯著增強(qiáng)了執(zhí)行復(fù)雜量子算法的能力。

離子阱路線以其超高保真度（>99.9%）和長(zhǎng)相干時(shí)間為核心優(yōu)勢(shì)，在需要高精度計(jì)算的場(chǎng)景中已初步商業(yè)化 。

其技術(shù)核心在于利用精密調(diào)控的電磁場(chǎng)，在超高真空環(huán)境中囚禁單個(gè)帶電原子（離子），并將其作為量子比特。

通過高精度激光束對(duì)離子的內(nèi)部電子能級(jí)和外部振動(dòng)模式進(jìn)行冷卻與操控，實(shí)現(xiàn)量子比特的初始化、量子邏輯門操作以及最終狀態(tài)的讀出。

截至 2025 年，離子阱路線在構(gòu)建高質(zhì)量、可糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)方面取得關(guān)鍵突破。

Quantinuum 實(shí)現(xiàn)了包含 50 個(gè)糾纏邏輯量子比特的系統(tǒng)，其雙比特邏輯門保真度超過 98%，展現(xiàn)了顯著的容錯(cuò)計(jì)算能力，是邁向?qū)嵱没蒎e(cuò)量子計(jì)算的重要里程碑。

IonQ 在商業(yè)化部署上保持領(lǐng)先，其 Forte Enterprise 系統(tǒng)已集成至數(shù)據(jù)中心，提供 36 個(gè)算法量子比特（#AQ 36）的計(jì)算能力。

與需要接近絕對(duì)零度環(huán)境的超導(dǎo)路線不同，離子阱系統(tǒng)可在室溫或接近室溫的環(huán)境下運(yùn)行，顯著降低了對(duì)昂貴制冷設(shè)備（如稀釋制冷機(jī)）的依賴，從而降低了硬件復(fù)雜度和運(yùn)營(yíng)成本。

當(dāng)前量子計(jì)算的主要瓶頸：量子退相干

量子退相干（Quantum Decoherence）是制約量子計(jì)算邁向?qū)嵱没母疚锢砥款i。

該過程指量子比特因與外部環(huán)境（如溫度波動(dòng)、電磁輻射、環(huán)境噪聲）發(fā)生不可避免的相互作用，導(dǎo)致其賴以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的疊加態(tài)與糾纏態(tài)信息迅速丟失，最終 " 退化 " 為經(jīng)典比特，嚴(yán)重影響計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性。

通俗地說， 外部環(huán)境像無數(shù)只 " 隱形的手 " 不斷偷看量子態(tài)，把量子信息坍縮成經(jīng)典信息，導(dǎo)致量子算法失效。

比如在超導(dǎo)量子系統(tǒng)中，宇宙射線撞擊即可引發(fā)準(zhǔn)粒子濃度驟增，顯著縮短量子比特能量弛豫時(shí)間，直接導(dǎo)致量子態(tài)存儲(chǔ)失效。

量子比特的穩(wěn)定性直接體現(xiàn)在 " 相干時(shí)間 "（Coherence Tme）這一核心指標(biāo)上，即量子態(tài)能夠維持其量子特性的時(shí)長(zhǎng)。

盡管技術(shù)進(jìn)步顯著，例如麻省理工學(xué)院已將特定量子態(tài)的維持時(shí)間從微秒級(jí)提升至 10 秒，但該水平距離運(yùn)行復(fù)雜算法所需的數(shù)小時(shí)乃至更長(zhǎng)時(shí)間仍存在巨大鴻溝，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化門檻。

相干時(shí)間的數(shù)量級(jí)限制，是當(dāng)前所有量子計(jì)算硬件平臺(tái)共同面臨的核心性能天花板，直接決定了量子計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的運(yùn)算規(guī)模和深度。

量子退相干的應(yīng)對(duì)之策：量子糾錯(cuò)（QEC）

如果說量子退相干是 " 出錯(cuò) " 的根源，量子糾錯(cuò)就是 " 打補(bǔ)丁 " 的解決方案，本質(zhì)上是為了應(yīng)對(duì)量子退相干帶來的 " 量子信息丟失 " 問題。

量子糾錯(cuò)的核心思路是將量子信息備份到多個(gè)物理比特中，即使部分比特因退相干丟失信息，也能通過整體關(guān)聯(lián)恢復(fù)原始信息。

這種 " 冗余編碼 " 的本質(zhì)，是用更多的物理資源對(duì)抗退相干帶來的 " 信息損耗 "。

盡管量子糾錯(cuò)在理論層面已取得進(jìn)展，但其在真實(shí)物理系統(tǒng)中的高效實(shí)現(xiàn)仍需時(shí)日。

量子糾錯(cuò)面臨最直接的挑戰(zhàn)是其驚人的物理資源開銷。

以當(dāng)前主流的表面碼（Surface Code）為例，構(gòu)建一個(gè)具備糾錯(cuò)能力的 " 邏輯量子比特 "，預(yù)計(jì)需要大約 1000 個(gè)物理量子比特進(jìn)行編碼冗余， 嚴(yán)重制約了容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模化進(jìn)程。

量子糾錯(cuò)技術(shù)的前沿進(jìn)展

為應(yīng)對(duì)規(guī)?；奶魬?zhàn)，量子糾錯(cuò)（QEC）技術(shù)正從傳統(tǒng)的表面碼向多元化創(chuàng)新路徑演進(jìn)， 探索編碼效率更高、資源消耗更少的新一代糾錯(cuò)技術(shù)。

微軟在高效編碼領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破，其提出的4D 拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼展現(xiàn)出巨大潛力。

該技術(shù)通過在四維空間中對(duì)糾錯(cuò)碼進(jìn)行幾何旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了物理資源的顯著優(yōu)化，構(gòu)建邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)量減少了 5 倍。

更重要的是，該編碼方案能將物理錯(cuò)誤率從 10 的水平大幅降低至 10 量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了千倍的性能提升。

除了編碼理論的革新，動(dòng)態(tài)化和智能化也成為量子糾錯(cuò)的前沿方向。

麻省理工學(xué)院（MIT）在 2024 年研發(fā)的 " 動(dòng)態(tài)糾錯(cuò)網(wǎng)絡(luò) " 是該領(lǐng)域的代表性成果，該技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)噪聲情況動(dòng)態(tài)調(diào)整糾錯(cuò)策略，成功將實(shí)現(xiàn)特定糾錯(cuò)任務(wù)所需的量子比特?cái)?shù)量從百萬級(jí)（10^6）銳減至千級(jí)（10^3），并預(yù)計(jì)在 2026 年實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

與此同時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助量子糾錯(cuò)的探索也日益深入，通過引入基于深度學(xué)習(xí)的糾錯(cuò)方案和零噪聲外推等算法，系統(tǒng)能夠更智能地識(shí)別和抑制噪聲，顯著提升量子計(jì)算的穩(wěn)定性與糾錯(cuò)能力。

量子計(jì)算的頭部玩家： 純量子企業(yè)與科技巨頭并存

目前參與量子計(jì)算研發(fā)、提供量子計(jì)算硬件云服務(wù)的頭部企業(yè)有兩類，分別是純量子計(jì)算公司和科技巨頭。

前者有四家，分別是D-Wave、Rigetti、IonQ、Quantum Computing。

后者包括 IBM、谷歌、微軟、英偉達(dá)、亞馬遜和英特爾等科技巨頭。

除上市公司之外，多家知名非上市公司在 量子計(jì)算研發(fā)和部署方面已取得重要里程碑，得到了大量一級(jí)市場(chǎng)資金支持。

比如 PsiQuantum、Quantinuum、Infleqtion、Pasqal、SEEQC、Atom Computing、Alice & Bob、Quantum Circuits、QuEra、Alpine Quantum Technologies、Xanadu、OQC 和 Diraq。

每家公司在量子計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)路徑、商業(yè)化選擇各有差異，我會(huì)在下篇詳細(xì)展開，這里先給出標(biāo)的清單。