文章发表于2026-09-10 09:33:26，归属【科技前沿】分类，已有6人阅读
在纽约市以北约50英里的葱郁乡间，一间小实验室的天花板上，交错悬挂着管线与电子设备。这看似杂乱的装置，实则是一台非同寻常的计算机——更是一台即将载入计算领域史册的关键里程碑式计算机。
量子计算机拥有着传统超级计算机难以企及的运算潜力：它能通过模拟原子层面的物质行为，彻底革新新材料的发现路径；也可能破解当下牢不可破的密码体系，颠覆密码学与网络安全领域；甚至能高效处理海量数据，为人工智能注入强劲动力。
历经数十年的渐进式发展，研究人员如今终于临近打造出“量子霸权”的门槛——这一里程碑指的是量子计算机具备完成传统计算机无法实现的任务的能力。谷歌是这一领域的领跑者，英特尔、微软也在量子计算领域投入了大量资源，此外还有Rigetti Computing、IonQ、Quantum Circuits等资金雄厚的初创公司参与角逐。
不过，论及量子领域的深厚底蕴，没有任何竞争者能与IBM相提并论。早在50年前，IBM就在材料科学领域取得诸多突破，为计算机革命奠定了基础。带着对量子计算机的诸多疑问——它到底能做什么？实用且可靠的量子计算机真的能被建造出来吗？我们不妨走进IBM的研究中心寻找答案。
这座坐落于约克镇海茨的研究中心，外形颇似1961年人们想象中的飞碟。它由新未来主义建筑师埃罗·沙里宁设计，建成于IBM作为大型主机制造商的鼎盛时期。彼时IBM是全球最大的计算机公司，在研究中心落成后的十年里，它跻身全球第五大企业，仅次于Ford和General Electric。
1972年贝内特加入IBM时，量子物理学已有半个世纪的历史，但计算领域仍依赖经典物理学，以及克劳德·香农在20世纪50年代于麻省理工学院提出的信息数学理论。正是香农用“比特”（这个词因他普及，却并非他首创）的数量定义信息量，这些代表二进制代码中0和1的比特，成为了所有传统计算的基础。
来到约克镇海茨一年后，贝内特协助奠定了量子信息理论的基础，这一理论彻底挑战了传统计算的逻辑——它利用原子尺度下物体的特殊行为：在这个尺度里，一个粒子可以同时“叠加”在多种状态中，比如同时处于多个位置；两个粒子还能呈现“纠缠”状态，改变其中一个的状态，会瞬间影响另一个。
贝内特等人意识到，某些需要指数级时间甚至根本无法完成的计算，借助量子现象就能高效实现。量子计算机将信息存储在量子比特（qubit）中，量子比特可以同时处于1和0的叠加态，再结合纠缠与干涉技术，就能在指数级数量的状态中快速找到计算答案。虽然量子计算机与经典计算机的对比复杂，但粗略来说，一台仅有几百个量子比特的量子计算机，同时进行的运算数量就能超过已知宇宙中的原子总数。
1981年夏天，IBM与麻省理工学院联合举办了一场具有里程碑意义的“第一届计算物理学会议”，地点选在离麻省理工学院校园不远的法式宅邸恩迪科特庄园。
贝内特保留的一张会议照片里，计算与量子物理学史上的数位传奇人物站在草坪上，包括开发出第一台可编程计算机的康拉德·楚泽，以及量子理论的重要贡献者理查德·费曼。费曼在会议上发表主旨演讲，提出了利用量子效应进行计算的核心想法。
IBM的量子计算机——目前最具前景的量子计算机之一——就位于贝内特办公室不远的走廊尽头，这台机器的核心任务，就是创造并操控量子计算机的核心元素：存储信息的量子比特。
IBM的量子计算机利用超导材料中的量子现象运作，比如有时电流会同时顺时针和逆时针流动，计算机便用超导电路中两种不同的电磁能态来构成一个量子比特。
这种超导方法有着关键优势：硬件可以借助成熟的制造工艺生产，还能通过传统计算机来控制系统。同时，超导电路中的量子比特比单个光子或离子更容易操控，稳定性也更强。
在IBM的量子实验室内，工程师们正在研发一台拥有50个量子比特的计算机。普通计算机可以模拟简单量子计算机的运行，但当量子比特数量达到50个左右时，这种模拟几乎变得不可能。这意味着IBM在理论上正接近“量子霸权”的临界点——量子计算机能够解决经典计算机无法完成的问题。
但正如IBM研究人员所说，“量子霸权”是个极其难以捉摸的概念：你需要50个量子比特全部完美运作，可实际上量子计算机一直受噪音困扰，需要复杂的纠错机制；而且，要长时间维持量子比特的量子特性也极其困难，它们往往会“退相干”——失去量子状态。更棘手的是，量子比特数量越多，纠错和维持量子特性的难度就呈指数级增长。
耶鲁大学教授、Quantum Circuits公司创始人罗伯特·舍尔克夫指出：“如果有50到100个量子比特，且它们能完美工作、实现完全纠错，那你就能完成那些任何经典计算机现在乃至永远都无法复制的运算。但量子计算的另一面是，它出错的方式也是指数级的。”
保持谨慎的另一个原因是，即便一台完美运行的量子计算机，它的实用性也尚未明确。它并非能加速所有任务，事实上，对于很多常规计算，它的速度甚至不如经典计算机。迄今为止，只有少数几种算法能让量子计算机展现明显优势，而且这种优势可能也只是暂时的。比如麻省理工学院的彼得·肖尔开发的著名量子算法，能快速寻找整数的质因数，而当下许多常见密码方案正是依赖传统计算机难以完成质因数分解这一特性。不过密码学也在发展，人们可以创造出不依赖因式分解的新型密码。
正因如此，即便临近50量子比特的里程碑，IBM的研究人员也在努力驱散过度炒作。杰伊·甘贝塔——这位高大随和的澳大利亚人，正为IBM的硬件研究量子算法与潜在应用。他表示：“我们正处于一个独特的阶段：我们拥有了一台比经典计算机能模拟的更复杂的设备，但它还没达到能精确控制、执行我们已知算法的程度。”
让IBM团队抱有希望的是，即便不完美的量子计算机也可能具备实用价值。
甘贝塔和其他研究人员将目光投向了费曼1981年就设想过的应用：化学反应与材料特性由原子、分子间的相互作用决定，而这些相互作用受量子现象支配，量子计算机在理论上能实现传统计算机无法做到的精准建模。
去年，甘贝塔与IBM同事用一台7量子比特的机器，成功模拟了氢化铍的精确结构——这个仅有三个原子的分子，是目前用量子系统建模的最复杂分子。未来，研究人员或许能借助量子计算机设计更高效的太阳能电池、更有效的药物，或是能将阳光转化为清洁燃料的催化剂。
这些目标还很遥远，但甘贝塔表示，将易出错的量子机器与经典计算机配对，或许就能获得有价值的结果。
“量子计算的炒作源于人们意识到它不再是空想，”麻省理工学院教授艾萨克·庄说，“它已经从物理学家的梦想，变成了工程师的噩梦。”
庄曾参与最早一批量子计算机的开发，20世纪90年代末到21世纪初，他在加州阿尔马登的IBM工作。如今他虽不再从事量子计算机的直接研发，但坚信我们正站在一场宏大革命的开端，量子计算最终甚至会在人工智能领域发挥关键作用。
不过他也认为，这场革命真正到来，要等到新一代学生和开发者能使用实用的量子机器之后。量子计算机不仅需要全新的编程语言，更需要从根本上改变人们对编程的认知。正如甘贝塔所说：“我们甚至不知道量子计算机上的‘Hello, world’等价程序是什么。”
我们正开始找到答案：2016年，IBM将一台小型量子计算机接入云端，人们可以通过名为QISKit的编程工具包运行简单程序。成千上万的人——从学术研究者到小学生——都用QISKit编写了基础量子算法并在这台机器上运行。如今，谷歌等公司也将它们尚在雏形的量子计算机接入云端，虽然暂时做不了太多事，但至少让实验室之外的人提前触摸到了量子计算的可能性。
初创公司社区也开始兴奋起来。有的创业团队想用量子计算机建模金融市场，有的计划用它设计新蛋白质，还有的想要搭建更先进的人工智能系统。虽然没人明说，但这些计划都基于一项极具革命性却尚未成熟的技术，不过几乎没人因此却步。
如果第一批量子计算机迟迟找不到实际用途，这种热情可能会消退。真正了解其中困难的人普遍认为，第一台实用量子计算机还需要数年才能问世，前提是管理和操控大量量子比特的难题最终能被解决。