量子计算解析：量子比特如何工作及其为什么现在很重要

经典计算机将信息存储在位中，这些位要么是 0 要么是 1，就像一个开或关的开关。根据 IBM 官方的量子计算解释器，量子计算机则使用量子比特，它可以同时表示 0、1 或两者的加权组合。这种被称为叠加的性质是量子机器能够同时探索某些问题的许多可能答案而不是逐个探索的原因之一。

机器背后的物理学

IBM 指出了四种使量子计算成为可能的量子力学效应：叠加、纠缠、干涉和退相干。纠缠将量子比特联系在一起，使得测量一个量子比特可以揭示关于另一个的信息，即使两者在物理上是分离的。干涉使量子电路能够放大正确答案并抵消错误答案，就像重叠的波可以相互增强或相互抵消一样。退相干是相反的效应——量子态坍缩为普通经典值——这是工程师必须抑制的主要障碍，以保持量子处理器的有用性，根据 IBM 的说法。

量子比特可以由多个物理系统构建，包括冷却到接近绝对零度的超导电路、陷阱离子、量子点和光子。IBM 表示，IBM 自己的量子处理器依赖于超导电路，因为它们可以使用现有的芯片制造技术进行制造和控制。

可验证的优势：谷歌的 Willow 芯片

根据谷歌官方博客文章，谷歌在 2025 年 10 月 22 日宣布，其 105 量子比特的 Willow 处理器产生了该公司称之为首个可验证的量子优势，使用了它命名为量子回声的算法。该算法将信号发送到一组量子比特中，扰动其中一个，然后反转信号的演化以侦听由相长干涉产生的放大"回声"。

谷歌报告称，量子回声在 Willow 上的运行速度比在世界上最快的超级计算机之一上运行的最佳已知经典算法快 13,000 倍。该公司强调，与其 2019 年的量子优越性声称不同，这个结果是"可验证的"——它可以在可比较的量子硬件上重复并相互验证，而不是依赖于没有独立方式来确认输出的抽样任务。

与加州大学伯克利分校的研究人员合作，谷歌使用该算法研究了来自含有 15 和 28 个原子的分子的核磁共振（NMR）信号，根据相同的谷歌公告，这指向了在药物发现、电池材料和新量子比特设计中的可能未来应用。

IBM 从'实用性'到容错的道路

IBM 区分了进展的几个阶段。该公司表示它在 2023 年达到了"量子实用性"，意味着其量子处理器可以在特定任务上超越经典近似方法。根据该公司自己的量子计算概述，IBM 表示它预期在 2026 年底之前达到"量子优势"——在实际问题上超越所有已知的经典方法。

除此之外，IBM 发布了一份通向容错量子计算的路线图，其中在错误破坏计算之前检测和纠正错误。该路线图描述了一个名为 Quantum Loon 的芯片，于 2025 年发布，增加了量子比特连接性以进行朝向高速率 qLDPC 码的概念验证实验，一个名为 Quantum Kookaburra 的模块计划于 2026 年推出，使用量子低密度奇偶校验（qLDPC）存储器存储信息，以及一个名为 Starling 的系统，针对 2029 年，IBM 表示应该在 200 个逻辑量子比特上运行 1 亿个量子门。IBM 的错误纠正方法使用它所谓的"二元自行车码"，包括一个"[[144,12,12]] 总码"，该公司表示需要大约比早期表面码方法少十倍的物理量子比特来实现相同的错误保护。

为什么加密已经在被重写

量子计算机之所以重要不仅仅是在实验室，是因为 Shor 算法，这是 Peter Shor 在 1994 年发表的一种数学方法，表明一个足够强大的量子计算机可以对大数进行因式分解——因此可以破坏广泛使用的 RSA 风格的加密——比任何经典计算机快得多，正如 IBM 的概述所指出的。

这种风险对标准化机构来说并非假设。根据 NIST 官方公告，美国国家标准与技术研究院（NIST）在 2024 年 8 月 13 日最终确定了其前三个后量子加密标准：FIPS 203（ML-KEM）用于一般加密，以及 FIPS 204（ML-DSA）和 FIPS 205（SLH-DSA）用于数字签名。NIST 数学家 Dustin Moody 表示，组织应该"立即开始将它们集成到他们的系统中，因为完全集成需要时间。"

量子计算机不是什么

IBM 的材料强调，量子计算机不是简单更快的普通计算机版本；它们适合于特定类别的问题——例如模拟分子、化学反应和某些优化或机器学习任务——其中相互作用变量的数量对于经典计算机来说太大而无法有效跟踪。对于字处理或网络浏览等日常任务，经典计算机仍然要实用得多。