量子計算行業的終極目標，是打造一臺性能強大、功能完備的計算設備，用以解決那些經典計算機無法勝任的科學與工業領域大規模復雜問題。2026 年，我們暫時無法實現這一目標。事實上，科學家們自 20 世紀 80 年代起就致力于攻克這一難題，至少可以說，這項任務的難度遠超預期。

“如果有人宣稱如今的量子計算機已具備商業實用價值，那我真想知道他們到底是何看法。” 量子計算初創企業 QuEra 首席商務官 Yuval Boger 于 10 月在紐約舉辦的 Q+AI 大會上如此表示。

正因為這一目標極具挑戰性，相關技術的發展進程也難以衡量。為了明確真正具備變革性的量子技術的發展方向，并標注技術演進道路上的關鍵里程碑，Microsoft Quantum 團隊提出了一套全新的發展框架。

該框架將量子計算的發展劃分為三個階段：

• 第一階段：即當前主流的含噪中等規模量子（NISQ）計算機。這類設備的量子比特數量約為 1000 個，但受噪聲干擾嚴重，易產生計算誤差。

• 第二階段：具備初步糾錯能力的小型量子計算機。這類設備可部署多種協議，實現對量子比特誤差的可靠檢測與修正。

• 第三階段：大規模糾錯量子計算機。這類設備將配備數十萬甚至數百萬個量子比特，能夠以高保真度完成數百萬次量子運算。

按照這一框架劃分，2026 年將成為客戶有望獲得第二階段量子計算機的元年。“我們對 2026 年滿懷期待，因為過去多年的大量研究成果即將迎來收獲期。”Microsoft 量子計算副總裁 Srinivas Prasad Sugasani 表示。

Microsoft 正與初創企業 Atom Computing 合作，計劃向丹麥出口與投資基金以及諾和諾德基金會交付一臺糾錯量子計算機。“這臺設備的核心價值在于助力科研突破 —— 目前尚未具備商業價值，但它將為后續商業化發展鋪平道路。”Sugasani 補充道。

QuEra 也已向日本國立先進工業科學技術研究所（AIST）交付了一臺具備糾錯潛力的量子計算機，并計劃于 2026 年向全球客戶開放使用。

量子糾錯技術的重要意義

當下量子計算機面臨的核心瓶頸，無疑是其極高的噪聲敏感度。量子比特本質上極為脆弱，極易受到電場、磁場、機械振動甚至宇宙射線等各類環境因素的干擾。盡管有人認為，即便受噪聲影響的量子計算機也具備一定實用價值，但業界幾乎一致認同：要實現真正具有變革性的應用，量子計算機必須具備抗干擾能力。

在經典計算領域，要提升信息的抗干擾能力，最直接的方法就是信息重復。例如，若要通過一條噪聲信道傳輸一個 0 比特，該比特可能在傳輸過程中被翻轉成 1，進而導致通信錯誤。但如果改為連續傳輸三個 0 比特，即便其中一個比特發生翻轉，接收方仍能準確判斷原始信息為 0。

然而，這種簡單的重復策略并不適用于量子比特 —— 因為量子比特的狀態無法被復制。不過，科研人員仍可通過特殊手段，將單個量子比特的信息編碼到多個物理量子比特上，從而提升信息的抗干擾性。這種承載單個量子比特信息的多個物理量子比特組合，被稱為邏輯量子比特。一旦信息被編碼為邏輯量子比特，在計算過程中即便出現誤差，糾錯算法也能精準識別錯誤并還原原始信息。

僅僅構建邏輯量子比特還遠遠不夠，關鍵在于通過實驗驗證：將信息編碼為邏輯量子比特后，是否能切實降低誤差率并提升計算性能。早在 2023 年，QuEra 團隊就與哈佛大學、麻省理工學院以及馬里蘭大學的研究人員合作證實，基于邏輯量子比特的量子運算性能，顯著優于基于裸物理量子比特的運算。2024 年，Microsoft 與 Atom Computing 的聯合團隊也實現了這一突破。

今年，這些科研成果將正式走向市場。Microsoft 與 Atom Computing 合作研發的名為Magne的量子計算機，將包含 50 個邏輯量子比特（由約 1200 個物理量子比特構成），并計劃于 2027 年初投入運行。Boger 透露，QuEra 交付給 AIST 的量子計算機則包含約 37 個邏輯量子比特（具體數量取決于實現方案）與 260 個物理量子比特。

原子基量子計算機

值得注意的是，這兩款第二階段量子計算機均采用了同一種量子比特技術 ——中性原子量子比特。在經典計算領域，晶體管早已成為公認的核心基礎器件；但在量子計算領域，業界尚未確定最優的量子比特技術路線，目前主流方案包括超導量子比特（IBM、Google 等企業主攻方向）、光子量子比特（PsiQuantum、Xanadu 等企業采用）、離子阱量子比特（IonQ、Quantinuum 等企業研發）等多種類型。

各類技術路線各有優劣，但首批糾錯量子計算機選擇中性原子技術并非偶然。要實現信息共享，構成邏輯量子比特的多個物理量子比特必須處于相鄰位置或建立連接。與芯片上固定排布的超導量子比特不同，任意兩個原子量子比特都能被精準移動至相鄰位置（這一優勢與離子阱量子比特相同）。

“中性原子具備可移動性，這讓我們能夠實現那些靜態量子比特無法完成的糾錯方案。”QuEra 的 Boger 表示。

一臺中性原子量子計算機的核心部件是一個真空腔室。腔室內的原子氣體被冷卻至略高于絕對零度的極低溫度，隨后通過光鑷技術—— 利用高度聚焦的激光束，實現對單個原子的捕獲、固定甚至移動。每個原子即為一個物理量子比特，這些量子比特可被排列成二維甚至三維陣列。

配圖特寫：一臺帶有彩色反光與精密組件的科學光學設備。中性原子量子計算機主要通過激光器操控單個原子，復雜的光學系統負責引導激光束精準作用于目標原子。圖片來源：Atom Computing

量子運算的核心 ——“量子門” 操作序列，則是通過另一束激光以精準調控的方式照射原子來實現。除了高可操控性，中性原子方案還具備并行運算優勢：同一激光脈沖可同時照射多對原子，實現對多組原子的同步操作。

不過，中性原子量子比特也存在明顯短板 —— 運算速度相對較慢。IBM Quantum 量子系統主管 Jerry Chow 指出，原子量子系統的運算速度僅為超導量子系統的百分之一到千分之一。

對此，Boger 則認為，這一缺陷可以通過其他優勢彌補。“憑借中性原子的獨特性能，我們的研究表明，其運算速度比此前預期提升了 50 至 100 倍。” 他所指的是 QuEra 近期與哈佛大學、耶魯大學合作取得的研究成果。“我們認為，若從‘解題耗時’（而非單純的時鐘頻率）的角度對比，如今中性原子量子計算機的性能已與超導量子計算機不相上下。” 盡管單個運算步驟耗時更長，但中性原子方案支持大規模并行運算，且糾錯所需的運算步驟更少，因此整體解題效率得以顯著提升。

條條大路通 “薛定諤的貓”

值得一提的是，Microsoft 提出的三階段發展框架并未獲得業界的一致認同。

“我認為這種階段劃分方式…… 過于偏向物理器件層面，我們更應從計算應用的視角看待量子計算的發展 —— 即這些量子電路究竟能實現哪些功能，賦能哪些場景？”IBM 的 Chow 表示。

Chow 強調，盡管大規模糾錯量子計算機是行業的終極目標，但這并不意味著必須優先實現量子糾錯技術。相反，IBM 團隊正聚焦于挖掘現有量子設備的實際應用場景，同時采用其他抑錯策略，并計劃于 2029 年推出完全糾錯的量子計算機。

無論是否認同這一框架，QuEra、Microsoft 與 Atom Computing 團隊均對中性原子技術實現大規模量子計算的潛力充滿信心。“如果用一個詞概括中性原子技術的核心優勢，那就是可擴展性。”Atom Computing 首席產品官 Justin Ging 如此評價。

QuEra 與 Atom Computing 的團隊均表示，未來幾年內，有望在單個真空腔室內集成 10 萬個原子量子比特，這為量子計算向第三階段的邁進指明了清晰的技術路徑。