量子计算正处于一个决定其未来走向的关键时刻。专家们曾寄予厚望，认为基于量子物理原理的计算机将彻底改变世界，其计算速度可能比现有经典计算机快上亿倍，并有望解决目前“无解”的问题。然而，这一颠覆性技术的未来并非坦途，它正面临着巨大的机遇与挑战。
在旧金山湾区东南边缘的一处办公园区内，量子计算公司Rigetti Computing的主要制造工厂里，一排排白色低温罐在蓝色灯光下熠熠生辉。这些罐体内部，金色的枝形结构中悬挂着刻蚀在芯片上的超导电路，它们被液氦和液氮冷却至极低温。隔壁的洁净室里，身着白色防护服的工程师们在大型设备、通风橱和酸浴旁忙碌着，为这些超导芯片的制造而努力。Rigetti首席执行官Subodh Kulkarni表示，量子计算的魅力在于其极低的能耗和惊人的速度，有望在药物发现、天气预报和金融行业等领域带来革命性变革。政府部门也高度重视其在破解现有加密技术方面的潜力。
Rigetti只是众多投身量子计算领域的公司之一。过去20年间，Rigetti等初创企业以及IBM、谷歌等科技巨头已投入巨资，仅2023年风险投资就高达12亿美元。全球各地的大学和政府实验室也将其作为重要的研究课题。尽管硅谷的炒作常将量子计算与人工智能的“超能力”联系起来，但许多专家对此持谨慎态度。量子计算的真正价值在于其解决特定复杂问题的能力，而非包罗万象的通用性。
那么，究竟何为量子计算机？仅仅说它运行于量子物理原理之上是不够的，因为所有物质都受量子物理支配。同样，利用量子现象进行操作的定义也不完全准确，因为现代计算机的硅晶体管工作原理也离不开量子物理。要理解量子计算机的本质及其建造难度，我们需要引入薛定谔的猫。
在量子力学创始人埃尔温·薛定谔于20世纪30年代提出的思想实验中，一只猫被关在一个盒子里，盒中有一个放射性金属块、一瓶毒药以及一个探测到辐射就会砸碎毒药瓶的装置。量子物理学指出，在未观测前，金属块处于“已衰变”和“未衰变”的叠加态，这意味着毒药瓶也处于“已碎”和“未碎”的叠加态，因此，猫在打开盒子前，将同时处于“死”和“活”的叠加态。通过精确控制等待时间，我们可以让猫处于任何“死”与“活”比例的叠加态。
这种可调谐的叠加态正是量子计算机的“量子”之处。经典计算机使用晶体管来处理二进制位（0或1），而量子计算机则使用量子比特（qubits），它们可以像薛定谔的猫一样，同时处于0和1的任意叠加态。此外，量子比特之间还能产生量子纠缠。与薛定谔的猫与盒子内环境的非受控纠缠不同，量子计算机必须对其量子比特间的纠缠进行严格控制，以执行计算。
量子比特的叠加和受控纠缠，理论上赋予了量子计算机超越经典计算机的能力。其中最著名的应用之一是Shor算法。1994年由麻省理工学院理论计算机科学家Peter Shor发明，该算法能让足够大的量子计算机以远超经典计算机的速度分解大数。这种“快”并非寻常：理论上，量子计算机只需几天就能分解一个让非量子超级计算机耗费数百万年的大数。这听起来可能是一个小众应用，但分解大数的难度正是现代加密技术（特别是互联网加密）的基础。因此，量子计算机不仅能成为强大的密码破解工具，甚至可能瓦解整个互联网的加密体系，这使得各国政府将其研发视为安全领域的优先事项。
此外，量子计算机还能以前所未有的细节水平模拟自然界的量子行为，精确模拟原子和分子的相互作用，这是缺乏“量子性”的经典计算机无法比拟的。这有望在基础物理、化学以及材料科学、药物研发等应用领域带来突破。Rigetti的Kulkarni等专家也相信，量子计算机还能在模拟金融市场和地球气候等更熟悉的领域超越经典机器。
然而，实现这些愿景并非易事。薛定谔的猫与盒子内环境的纠缠是自然发生的，任何相互作用的物体都会产生纠缠。这种量子系统与环境之间产生的自然纠缠被称为退相干（decoherence），它对量子计算机的计算能力是致命的。
为了使量子处理器对其量子比特及其纠缠保持至关重要的控制，它在工作时必须与外部世界完全隔离，并对其自身原子组件之间的物理相互作用保持高度控制。即使在极短的时间内实现这一点也异常困难。防止量子计算机组件之间产生不必要的相互作用，是当前相对初级的量子计算机迈向更强大、更大规模系统的主要障碍之一。研究人员采取的主要策略之一是将量子计算机冷却到极低的温度，因为热量（原子的随机运动）会产生不必要的纠缠。
这一挑战与量子计算领域最大的开放性问题紧密相关：制造量子比特的最佳方式是什么？经典计算机的比特通过固态芯片上的电压变化或硬盘的磁畴来控制，这本身就已是巨大的工程挑战。但量子比特需要更精细的控制：它必须能被置于特定的初始量子态，通过一系列量子逻辑门控制其纠缠，同时保持与环境的完美隔离，并防止其与自身其他组件产生不必要的相互作用。尽管早期有人怀疑量子计算机能否建成，但在过去20年里，科学家们已成功开发出拥有数百个量子比特的相对小型量子计算机。然而，这些机器过于简单，尚无法执行Shor算法或复杂的量子模拟等有意义的计算。要将其扩展到实用规模，需要押注于最佳技术路径。
目前，超导电路和囚禁原子或离子是两种主要的量子比特实现方法。超导电路由铝或钽等超导材料制成，在超低温下无电阻。其优势在于可利用现有计算机芯片制造技术的变体进行构建，且运行速度快。但缺点是每个芯片包含数十亿万亿个原子，即使在接近绝对零度（仅高百分之一度）的温度下，如此多的原子也会导致芯片在几十微秒内发生退相干。
另一种主流策略是利用单个原子构建量子比特。这种方法正好弥补了超导量子比特的不足：只有一个原子时，更容易防止其退相干。囚禁原子或离子量子比特可以保持相干态长达数毫秒。但单个原子的操作速度较慢，且无法直接沿用传统芯片制造技术。目前，这两种类型的量子比特在退相干前能执行的计算次数大致相同。尽管目前最强大的量子计算机使用超导量子比特，但原子和离子方法也紧随其后。
最终，为了兑现其承诺，量子计算机需要找到方法来提高对控制失误的容忍度。由于退相干和其他不必要的量子效应，量子计算中不可避免地会出现错误。虽然无法完全阻止退相干，但可以通过量子纠错（quantum error correction）来弥补一些错误。这项理论上的突破，在特定情况下，无需完全破坏量子比特的叠加态或与其他量子比特的纠缠，就能检测并纠正其状态中的错误，这就像在不完全打开盒子的情况下调整薛定谔猫的“死活”比例。
量子纠错码的存在，大大提高了量子比特实现Shor算法和其他复杂量子计算任务所需的高可靠性。但这并非没有代价。量子纠错通过将一组物理量子比特组合成一个“逻辑量子比特”来实现，通过用多个物理量子比特来表示一个逻辑量子比特，从而建立一种量子冗余，使得单个物理量子比特的错误影响减小。为了使纠错有效，每个逻辑量子比特需要由大量的物理量子比特组成——大约100到1000个。而要运行Shor算法或任何其他有用的应用，量子计算机需要数千个逻辑量子比特。这意味着，要实现量子计算机的预期潜力，今天的数百个物理量子比特系统必须扩展到数百万个物理量子比特，并且这些量子比特之间的纠缠必须得到精确控制。
然而，近期的一些突破给研究人员带来了希望，量子纠错可能需要更少的物理量子比特。例如，加州理工学院和量子计算初创公司Oratomic的一项最新研究提出了一种量子纠错方法，每个逻辑量子比特仅需大约5个物理量子比特，将Shor算法的实现门槛降低到大约10,000个量子比特。尽管这项研究尚未经过同行评审，但如果结果成立，有望比预期更早地建造出能运行Shor算法的量子计算机。
即便如此，该领域仍面临一个核心问题：量子计算机需要多久才能扩展到实用水平？尽管经典计算机在过去60年里遵循摩尔定律快速发展，但量子计算机能否遵循同样的指数级增长趋势尚无保证。摩尔定律并非自然法则，但退相干的必然性却是自然法则。
对Shor算法的关注不仅仅关乎密码学和国家安全。它是目前科学家们唯一确信量子计算机能比经典计算机快得多的算法。马里兰大学联合量子研究所的物理学家Alaina Green表示，人们长期以来一直在寻找类似Shor算法的其他算法，但“一个都没有”找到。设计量子算法非常困难，证明其显著优于现有非量子算法也同样艰难，而证明其优于所有可能的非量子算法则几乎不可能。
科学家们对使用量子计算机模拟自然界的量子特性最为乐观。加州大学伯克利分校的量子计算机科学家Ewin Tang指出：“量子计算机最初被提出的原因就是可以用来模拟量子系统。”但即便在这种量子模拟方面，量子计算机也可能无法完全超越经典计算机。Tang坦言：“目前还没有太多关于量子计算机能提供可证明的量子优势的具体计划。”Green也认同：“不幸的是，很难就量子模拟能明确超越经典计算做出可证明的陈述。但我们认为这应该是事实。”
即使量子计算机在模拟某些量子系统方面确实更优（这似乎很有可能），即使科学家能设计出更多像Shor算法一样，对已知经典算法具有明显巨大优势的算法，量子计算机也不会在大多数任务中击败经典计算机。麻省理工学院电气工程、计算机科学和物理学教授William Oliver表示：“量子计算机能比经典计算机做任何事情都快——这根本不是事实。据我们目前所知，只有某些具有特定内部结构的问题，才能让量子计算机发挥其量子特性。”
在量子计算机的最佳情景下，它们将是解决特定类型挑战的专用设备。它们很可能与数据中心或超级计算集群中的经典计算机协同使用，而不会被小型化到我们的手机中。Green说：“量子计算擅长的事情，并不是人们每天都需要做的事情。”30年后，你的药柜里可能有一种由量子计算机模型开发的处方药，但你几乎肯定不会拥有自己的量子计算机。
然而，该领域的不确定性并未阻止商业界对量子计算进行经济预测。波士顿咨询集团在2024年预测，到2040年，量子计算机将创造4500亿至8500亿美元的价值。他们声称“近期量子计算的障碍……不会威胁到该技术或市场的长期发展。”然而，同一机构也承认其2021年关于基于量子硬件和软件改进的价值创造预测“过于乐观”。
这种对量子计算未来走向的自信预测很难被认真对待，正是因为尽管取得了诸多进展，该领域仍然是新兴的，充满了未知。Oliver表示：“量子计算是真实的，它正在发生，并且需要时间。它需要工程技术，也仍然有科学研究要做。一切都尚未尘埃落定。”他估计，我们可能在大约20年内拥有更大规模的量子计算机。“无论时间框架如何，我们都将利用它们从科学角度更好地理解我们周围的世界。”
当我问Green她预计何时能有好的量子计算机时，她直言不讳地回答：“我不知道，我也不愿做出预测，如果你能找到任何（物理学家）会做出预测，我会非常惊讶。”尽管如此，她仍然渴望那个未来，无论何时到来。她说：“有一类问题……我们用经典计算机永远没有机会解决。对我来说，量子计算最有前景的应用是有望解决这些问题。”
现实是，我们根本不知道量子计算机的未来会怎样。我们所知道的是，这个领域令人兴奋，它面临的科学挑战引人入胜——而任何声称确切知道未来会怎样的人，很可能是在向你推销什么。