2026-05-26 10:13
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本文来自微信公众号： 心智观察所 ，作者：心智观察所
是物理学家的终极梦想，也是投资市场的疯狂炒作。量子计算机，到底行不行？
最近，关于量子计算机的新闻可谓是热闹非凡。
就在不久之前，美国商务部突然宣布，向包括IBM、Global Foundries在内的9家量子计算公司投资20亿美元，直接换取股权，其中IBM独占10亿。IonQ、D-Wave、Rigetti等量子计算概念股也是一飞冲天。
今年春天，加州理工学院的明星团队交出设计，声称只需数万个中性原子量子比特，就能破解主流加密算法，并火速成立了初创公司Oratomic。另一边，谷歌的研究团队也宣称他们已经开发出量子计算算法的实现版本。这些进展大大缩短了量子计算机从理论到落地的距离。一时间，量子霸权似乎近在咫尺，仿佛明天就能用上量子计算机了。
与此同时，由西蒙斯创立的美国熨斗研究所（Flatiron Institute）的物理学家们却用一台普通笔记本电脑成功解决了人们此前宣称只有量子计算机才能解决的问题，在量子霸权面前叫阵。这记回马枪似乎在提醒我们：经典计算机还没死，甚至还挺能打。
一边是资本的狂欢和媒体的高呼，一边是实验室里易受干扰的量子比特和漫漫工程路。量子计算机，这个被寄予厚望的“颠覆者”，到底走到了哪一步？它什么时候才能真正走进现实？它会取代我们现在的手机和电脑吗？
量子计算机和经典计算机在底层的计算原理、信息编码方式、运算逻辑上，都有着本质的区别。
你每天用的手机、电脑，底层都是比特（bit）。比特就像一个小小的开关：要么是0（关），要么是1（开）。所有的文字、图片、视频、密码，最终都会被拆解成无数个这样的0和1，然后被CPU一个接一个地处理。
经典计算机的思维是线性的、顺序的，无论多快，它一次只能走一条路。
量子比特（qubit）就完全不一样了。它具有一种诡异的属性，即叠加态。
一个经典比特只能是0或者1。但一个量子比特可以“既是0又是1”，还能是0和1以任意比例混合的状态。比如30%的0加上70%的1，或者各50%。
打一个最直观的比方：经典比特是桌子上的一枚硬币，要么正面朝上（0），要么反面朝上（1）；而量子比特是一枚还在空中旋转的硬币——在它落地之前，你无法说它是正面还是反面。它同时“是”正面，也同时“是”反面。只有当你伸手抓住它（测量）的那一刻，它才会随机“坍缩”成一个确定的结果。
“叠加”让单个量子比特能分身探索无数条路，但光有叠加还不够，还需要第二个神奇的法术——纠缠。
当两个量子比特被制备成纠缠态，它们之间就会产生一种不可思议的连接：无论它们相隔多远，只要测量其中一个的状态，另一个会瞬间变成与之相关的状态。没有任何经典物理能解释这种关联，爱因斯坦都称之为“幽灵般的超距作用”。
纠缠让所有量子比特的步伐协调一致，使得它们以经典世界无法实现的方式协同工作。
还有一个关键步骤，即干涉。
干涉就像一束光通过两道狭缝后，波峰与波峰叠加变亮、波峰与波谷叠加变暗。量子计算正是利用了这个原理：通过精巧地调控每个量子比特的相位，让正确答案的概率幅相互增强，让错误答案的概率幅相互抵消。最终，当你去测量量子比特时，就能大幅提高得到正确答案的概率。
所以，量子计算完整的底层逻辑是三股力量的合力：叠加令状态数指数级爆炸，纠缠令量子比特抱团协作，干涉则把正确答案“筛”出来。
三者合一，才是量子计算碾压经典计算的底层逻辑。
是1994年麻省理工学院数学家彼得·肖尔（Peter Shor）提出的一个算法让全世界政府和网络安全专家集体失眠。
你现在用网银、发邮件、刷微信支付，信息都是加密传输的。最常用的经典加密系统叫RSA。它的原理其实很简单：
给你两个很大的质数，比如13和17，你很容易算出它们的乘积221。但反过来：给你221，让你猜它是哪两个质数乘出来的，就变得极其困难。
这个“困难”有多困难？如果用最好的经典算法去分解一个由两个质数相乘而得到的617位长的合数，全世界所有计算机加起来算到宇宙毁灭也算不完。这个超大的合数就是锁，那两个质数则是只有加密者才知道的钥匙。在这样巨大的困难面前，大家都默认RSA是安全的。
数学家肖尔则创造一种降维打击式的算法，他在纸上构造了一台符合量子力学规则的计算机，用以破解经典计算机无法破解的难题。Shor算法的核心在于把“分解一个大数”这个难题，巧妙地转化成了量子计算机擅长的“找周期”问题。例如，取一个大数N=15，计算2的1次方、2次方、3次方……除以15的余数。你会发现余数呈现一个循环模式：2,4,8,1,2,4,8,1……这个循环的长度“4”就是周期。有了这个周期，再根据数论定理，通过几步简单的算术，就能算出15=3×5。经典计算机只能一个接一个地试出周期，慢到不可接受。而量子计算机利用叠加态，可以一次性同时计算所有幂次的余数。这些结果混在一起，里面隐藏着周期的“频率”，量子傅里叶变换可从这团杂乱的信息中，像听出混在噪音里的一个清晰节拍一样，精准地提取出周期。这就是Shor算法能够“降维打击”RSA加密的根本原因。打个极度简化的比方，经典方法是让一个人在有一亿个抽屉的大房间里一个一个地找钥匙；Shor算法相当于让一亿个人同时打开一亿个抽屉，然后瞬间就知道钥匙在哪个抽屉里。
分解一个300位的数，经典计算机可能需要15万年，而量子计算机不到一秒；分解一个5,000位的数，经典计算机需要50亿年，而量子计算机只需2分钟。一台足够大的量子计算机运行Shor算法，可以在几分钟甚至几秒钟内破解RSA和椭圆曲线加密（比特币的加密基础正是基于椭圆曲线密码）。到那时，银行账户、军事机密、加密货币，全都会像没锁的门一样。
这就是为什么各国政府如此紧张。美国那20亿美元的投资，很大程度上就是为了在这场“量子解密竞赛”中抢得先机。
多年以来，Shor算法的威胁仅仅只是纸上谈兵。而近来，加州理工学院和谷歌同时取得了令人吃惊的进展，缩短了理论和实践的距离。
加州理工学院的明星团队联合哈佛大学的Lukin实验室，走的是中性原子（不带电的原子）路线。一个原子就是一个物理量子比特。激光像“光镊”一样捕捉、悬浮并自由排列数千个中性原子。中性原子量子比特之间不依赖固定导线，激光镊子可以把一个原子直接“抓”到阵列另一端与另一个原子纠缠。由于中性原子不带电，不容易被环境中的电场干扰，其叠加态可以维持较久。
他们利用了一种叫做qLDPC的新型纠错码。传统的纠错码要保护1个用于量子计算的逻辑量子比特免遭环境噪声的篡改，就需要约1000个物理量子比特（举个例子，上述中性原子就是物理量子比特），而qLDPC纠错码将这个比例压缩到低至5个物理量子比特即可保护1个逻辑量子比特，纠错开销降低了超过100倍。基于这个优势，他们给出了非常具体的数字：大约只需10,000个物理量子比特，就可以运行Shor算法从未破解比特币和以太坊采用的256位椭圆曲线加密；提高到26,000个，破解椭圆曲线加密只需约10天；再到102,000个，破解一个2048位RSA整数大约只需97天。
他们当场成立了初创公司Oratomic，论文署名包括量子信息学泰斗John Preskill、中性原子实验权威Manuel Endres等。
另一边，谷歌最近动作不断。
首先是纠错突破。谷歌的Willow处理器实现了低于阈值的纠错——增加物理量子比特的数量，逻辑错误率不是上升，而是呈指数级下降。这件事被业界视为“登月级别的里程碑”，证明大规模量子计算机在工程上是可行的。
其次是加密破解。今年4月，谷歌提交了一份基于零知识证明（一种密码学方法，能够在不透露任何秘密信息的情况下，向别人证明我知道这个秘密）的白皮书，宣布他们开发了Shor算法的实现版本，据称仅需1200个逻辑量子比特就能破解椭圆曲线加密，比之前的估算降低了约20倍。具体电路细节至今保密。
最后，谷歌宣布将自家系统迁移到后量子加密的时间表定在2029年。这意味着连量子计算的领军企业自己都认为：万事俱备，只欠东风，必须有备无患，不能再等了。
最新进展表明，留给经典加密系统的时间，真的不多了。
就在量子计算风头无两的时候，美国熨斗研究所量子物理中心的物理学家们，默默在《科学》杂志上发表了一篇论文，标题很朴实，但内容很“打脸”。
他们用一台普通的笔记本电脑，跑了一个叫做张量网络（Tensor Network）的算法，成功模拟了一个复杂的量子动态系统。这个系统有多复杂？今年3月，曾有团队用量子计算机跑过类似的计算，并宣称这是经典计算机做不到的。
那么，张量网络到底是什么？先要知道量子模拟的死穴在哪里。一个由数百个纠缠粒子组成的量子系统，其状态由一个叫做“波函数”的数学对象描述。这个波函数的大小随粒子数的增加呈指数级爆炸——几百个粒子之后，数据量就已经大到连全世界最强的超级计算机都无法直接存储。这就是物理学家常说的指数墙。
张量网络就是翻越这堵墙的绝妙办法。它把波函数这个巨大的数学对象砸扁成一张由许多张量相互连接而成的网络。网络上的每个节点都是一个张量，从节点上长出来的“腿”的条数代表张量的阶数，每个张量只存储局部信息，通过“腿”彼此相连，编织成网，从而还原整个系统。可以说，张量网络就是波函数的“ZIP文件”。
熨斗研究所的Joseph Tindall和他的同事还创造性地改造了一种叫做“信念传播”的算法——这种算法最早可追溯到20世纪80年代，原本用于经典统计推断领域——来高效处理这些互联的量子数据。
结果，他们不仅在笔记本上跑通了，而且在三维晶格模拟中达到了与理论预测及先前量子实验结果完全一致的精度。
这项突破被评价为对“量子优越性”神话的一次“祛魅”，是对“量子霸权”的挑战。
你可能想问：除了破解密码，量子计算机还能给普通人带来什么好处？答案是：很多。
它可以成为新药与新材料的“超级模拟器”。今天的药物研发有点像“神农尝百草”，需要大量试错。而很多关键的化学反应，比如固氮、光合作用，本质上是电子在分子轨道上的量子行为，经典计算机模拟几十个电子就撑不住了。量子计算机天生就是干这个的。
它是基础物理的“虚拟实验室”。物理学家费曼早就说过：大自然不是经典的，想模拟大自然，你得用量子力学的办法。去年，谷歌和QuEra两家独立团队分别在量子计算机上成功模拟了“弦断裂”，即一对夸克被拉开时，能量大到能凭空产生新的正反物质粒子。这是人类第一次直观地看到这个此前只存在于理论中的过程。
它是AI的“加速卡”。用量子计算机做储层计算来优化经典AI训练，效果显著。澳洲电信Telstra用量子处理器训练网络延迟模型，将原本三周的训练时间压缩到了两天。
在众多量子计算公司中，有一家格外值得关注——IonQ。它不仅是美股量子计算板块的明星，也是目前商业路径最清晰、技术壁垒最独特的玩家之一。
首先，它走的是“囚禁离子”路线。IonQ的技术路线和加州理工的中性原子有些亲戚关系，都属于原子派系，但IonQ用的是带正电的离子，更易于被电磁场囚禁和操控。IonQ把单个离子悬浮在超高真空的腔体中，然后用极其精密的激光束来操控离子的内部能级，把每个离子变成一个量子比特。
这条路线有几个天生优势：其一是相干时间长——离子的叠加态能维持很久；其二是门保真度高——每做一万次操作，只出一次错。这在业界属于顶级水平；其三是全连接性——任意两个离子量子比特之间都可以直接产生纠缠，不需要邻居“传话”。这一点对很多量子算法至关重要。
2026年初，IonQ干了一件震动整个行业的事——以18亿美元收购了美国国防级的芯片厂SkyWater Technologies。这家公司不是普通的代工厂，而是美国本土最大的纯代工半导体制造厂之一，并且拥有美国国防部认证的1A类可信赖代工厂资质。换句话说，它是美国国防供应链的一部分。这笔交易完成后，IonQ成为了全球量子计算行业中唯一一家拥有全栈垂直整合能力的公司——从量子芯片设计、半导体制造到封装测试，全部由自己掌控。
2026年第一季度，IonQ交出了一份让华尔街称奇的成绩单：其收入达到6470万美元，同比暴增755%，连续第四个季度创纪录。其中60%的收入来自商业客户，35%来自国际市场，超过三分之一的收入来自采购了多种产品的老客户。剩余履约义务（已签约但尚未确认收入的长期合同）达到4.7亿美元，同比增长554%。全年收入指引中值上调至2.65亿美元。
最硬核的是，IonQ在本季度把公司第一台第六代256量子比特系统卖给了剑桥大学——这可是全球顶尖学府，能拿下这个客户本身就是技术实力的证明。
截至财报发布，IonQ市值约为210亿美元，远期市销率高达约78倍——而科技行业的市销率中位数通常在3到5倍。分析师给出了平均目标价68.63美元，最高可至100美元。
这是什么意思？市场不是在为它今天的利润买单，而是在赌它十年后的位置。如果量子计算真的在未来十年内迎来爆发，IonQ很可能是最早吃到红利的公司之一。
相比之下，另外两家公司D-Wave和Rigetti虽然也拿到了美国政府投资，近期的订单增速也很惊人——D-Wave订单同比增长近2000%，Rigetti的108量子比特系统已经全面上市——但在技术路线、制造能力和商业收入上，IonQ目前处于领跑位置。
讲了这么多振奋人心的进展，我们也得看看面前还横着几座大山。
其一是量子比特的“玻璃心”——退相干。量子比特的叠加态极度脆弱。任何一点点热量、振动、电磁波，甚至宇宙射线，都会让它瞬间坍缩成普通态，计算当场失败。要维持叠加态，量子比特必须和外界彻底隔绝——但与此同时，外界又得操控它、读取它，这本身就是一对根本矛盾。
其二是纠错的无底洞。即便单个量子比特的错误率很低，几千几万个凑在一起，错误就成了必然。量子纠错需要用多个物理量子比特（如原子、离子）编码成一个用于计算的“逻辑比特”。一台1000量子比特的机器，真正用于计算的“逻辑算力”可能只有几十甚至几个。谷歌Willow的突破证明了“越纠越对”是可行的，但从几十个逻辑量子比特到能破解RSA加密系统所需的数千个逻辑比特，还有漫长距离。
其三是算法与应用场景的贫瘠。除了Shor算法和少数量子模拟算法，我们目前严重缺乏“杀手级应用”。MIT的奥利弗教授直言：“有很多问题，我不知道怎么在经典计算机上算，也不知道怎么在量子计算机上算。”这个领域需要成千上万的数学家、程序员进入其中，才能创造出足够多的实用算法。
其四是工程制造的地狱模式。从实验室的几十个量子比特，到工厂里数万个稳定互联的量子比特，不是简单堆数量。控制电子学、芯片互联、低温封装、软件栈……全是工程难题。
一句话：早得很，但不得不赌。
目前来讲，任何经典计算机无法完成的实用之事，量子计算机也做不到。所谓的“商业价值”主要体现在三个层面：其一是战略卡位。各国政府为了未来的密码安全和科技霸权疯狂砸钱，这是国防和基础研究的刚需。美国政府的20亿美元投资，本质上是把量子从“科研命题”升级到了“国家安全基础设施”的层面；其二是探索性应用。银行、医药、化工巨头花钱占座，和量子公司合作探索小规模的模拟。哪怕没产出也不能掉队；其三是资本市场的未雨绸缪。量子公司的股价，不是在为“当下的利润”定价，而是在为“量子计算的未来预期”定价。
也许量子计算机就像1950年代的经典计算机。那时IBM的机器有屋子那么大，算力还不如今天的计算器，所有人都说这东西没用。你看现在如何？量子计算机会走同样的路——理论可行，潜力无限，但要等工程师们再肝上十几年。
对于普通人来说，你的银行密码至少在五年之内还是安全的。但企业和技术决策者是时候参与进来了。不一定买下机器，但可以学学量子计算机出现之后的加密模式，甚至可以想想，如果一台强大的量子计算机明天就能出来，我的行业会被颠覆吗？
量子计算机的快车刚刚驶出站台。机会总是留给有准备的人。
参考文献
https://www.reuters.com/business/us-award-2-billion-quantum-computing-firms-take-equity-stakes-wsj-reports-2026-05-21/5
https://www.ionq.com/news/ionq-announces-ionq-federal-to-meet-the-increasing-demand-for-quantum
https://quantumcomputingreport.com/flatiron-institute-tensor-network-algorithm-overturns-historical-d-wave-quantum-supremacy-claim/
https://www.quantamagazine.org/new-advances-bring-the-era-of-quantum-computers-closer-than-ever-20260403/
https://www.reddit.com/r/Physics/comments/1jggcau/is_quantum_computing_feasible_if_so_how_far_along/
