量子计算：从理论构想到未来引擎

　　量子计算：从理论构想到未来引擎(院士讲科普·未来产业)

　　从量子力学到量子计算：一场跨越百年的思想接力

　　量子计算的诞生，根植于20世纪物理学最深刻的革命——量子力学。

　　1900年，物理学家普朗克提出了一个假设：能量的吸收和释放不是连续的，而是以最小的“能量子”为单位进行的。这个假设打开了通往微观世界的大门。随后，爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡、狄拉克等一批科学巨匠相继构建量子力学的理论大厦：德布罗意提出“波粒二象性”，薛定谔给出了描述量子状态的“波动方程”，海森堡揭示了微观世界最反直觉的特征“不确定性原理”。

　　量子力学的价值不止于解释微观世界。20世纪后半叶，基于量子力学原理的第一次量子科技革命给人类社会带来深刻改变，激光、半导体、磁共振成像等技术均与量子力学相关。其中，基于固体能带理论的半导体技术更是催生了电子信息产业。

　　真正将量子力学推向计算科学前沿的，是20世纪80年代的一系列理论突破。物理学家理查德·费曼提出，既然自然在根本上遵循量子力学的规律，那么用经典计算机模拟量子系统必然面临指数级的困难——或许可以建造一台遵循量子力学原理的计算机来模拟量子世界。这一构想为量子计算打开了可能。

　　从构想到实践：量子计算的驱动力与技术路径

　　进入21世纪，量子计算从理论构想走向工程实践，推动这一进程的有三大驱动力。

　　一是需求驱动。在数字时代，“算力决定一切”。然而，随着晶体管尺寸逼近物理极限，传统计算机的算力增长遇到了“天花板”。与此同时，大数据、人工智能、药物研发、气候模拟等领域对算力的需求快速增长，人们迫切需要一种全新的计算范式。

　　二是操控能力的飞跃。经过数十年的技术积累，人类已经能够在量子态层面精确地操控微观世界。从囚禁单个离子到制备单个光子，从精确控制超导量子电路到操纵单个原子，这些曾经难以想象的能力，如今已成为实验室的日常。

　　三是量子力学自身的深化。回到量子力学建立之初，就连爱因斯坦、薛定谔等科学巨匠也对量子纠缠、量子叠加等特性深感困惑。2022年，诺贝尔物理学奖授予量子纠缠实验方面的开创性工作；2025年，诺贝尔物理学奖再次授予在电路中观测到宏观量子隧穿与能量量子化的科学家。由此可见，人类对量子世界的理解正不断深化。

　　在技术路径上，量子计算呈现出“百花齐放”的格局。主要的技术路线包括超导量子计算、离子阱、光量子计算、中性原子、硅基量子点等。

　　超导量子计算是目前的主流技术路线，全球超30%的量子计算企业选择了这一方向。2025年，中国科学技术大学团队发布的“祖冲之三号”超导量子计算原型机刷新了超导体系的量子计算优越性世界纪录。

　　光量子计算是中国具有显著优势的领域。从2020年的76光子“九章”原型机，到2023年的255光子“九章三号”，中国科大团队在光量子路线上持续领跑。

　　尽管各条路线都有长足进步，但量子计算距离提供通用、可容错的算力支撑仍有相当距离。中国信息通信研究院发布的《量子计算发展态势研究报告(2025年)》指出，当前量子计算正处于技术攻坚的关键时期，未来何种技术路线能在竞争中胜出尚不明确。

　　中国量子计算：从跟跑到并跑的前沿探索

　　中国在量子计算领域的发展速度令世界瞩目。

　　2019年，谷歌宣称凭借53比特超导处理器“悬铃木”率先实现了量子计算优越性。2020年，中国科大团队成功研制76光子的“九章”光量子计算原型机，这一成果使我国成为第二个实现量子计算优越性的国家。次年，“九章二号”和“祖冲之二号”相继问世，使中国成为全球唯一在两条技术路线上均达到量子计算优越性的国家。

　　2025年3月，“祖冲之三号”超导量子计算原型机正式发布，其处理“量子随机线路采样”问题的速度打破超导体系量子计算优越性世界纪录。2026年5月，中国科大团队再次取得重大突破——成功研制出可编程量子计算原型机“九章四号”，首次操纵和探测高达3050个光子的量子态。“九章四号”求解高斯玻色采样任务的速度比当前全球最快的超级计算机更快。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的领先地位。

　　量子科技已被列为我国优先发展的未来产业。安徽合肥国家实验室牵头组织实施“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项，统筹协调全国优势资源。

　　量子计算的发展路线图大致分为3个阶段：首先是实现量子计算优越性，其次是探索含噪中等规模量子处理器的实际应用，最终目标是构建大规模、可纠错的通用量子计算机。

　　从目前的技术进展来看，从量子计算优越性到有用算力之间仍有相当的距离。但方向已然清晰，脚步正在加快。从费曼上世纪80年代的构想到“九章四号”的问世，量子计算正从理论走向现实，从实验室走向产业。这条路固然漫长，但每一步突破都是为走向一个全新的计算时代积蓄力量。

　　(作者为中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长，本报记者吕绍刚采访整理)

　　-延伸阅读

　　“量子”知多少

　　【量子优越性】

　　量子优越性，指的是在解决某些特定问题上，由于量子相干叠加、量子纠缠等特性，量子计算机具有远超经典计算机的能力。比如，面对随机量子线路或玻色采样等问题，目前，“祖冲之号”超导量子计算机和“九章”光量子计算机都展示出量子优越性。不过，这些问题目前只是用来衡量量子处理器整体性能的一种手段，展示的是量子计算的潜力，距离量子计算应用还有一段距离。

　　【光量子计算】

　　光量子计算直接用光子作为信息载体，利用光子的不同路径或偏振方向来编码逻辑“0”和“1”。利用量子叠加，一个光子能同时探索多种状态，其内核是控制干涉，本质上是利用波的相干叠加特性，通过光的物理演化求解出复杂的数学难题。

　　【量子纠缠】

　　量子纠缠，是指两个或多个粒子在构成一个整体后，无论相距多远，它们的状态都会瞬间关联。就像两个硬币纠缠在一起，在观测之前，每个硬币的朝向都不确定，当观测到一枚硬币朝上时，另一枚会瞬间朝下，哪怕它被带到了月球。这种看似“超距”的神奇现象，正是当前量子通信、量子计算、量子精密测量等前沿技术的基石。

　　人民日报

　　俞大鹏