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院士科普|走在十字路口的量子计算:从“薛定谔的猫”到改变世界的力量

来源:光明网2025-08-25 15:53

  很多人一听到“量子计算”,总觉得这是实验室里高高在上的学问,离我们的生活很远。但其实,它的核心思想并不难理解。大家熟悉的经典计算机,用的是“0”和“1”两种固定状态的比特来存储和处理信息;而量子计算所用的“量子比特”,却可以同时处于“0”和“1”的叠加态。我常常打这样一个比方:经典比特就像开关,非开即关;而量子比特更像一枚旋转的硬币,在落地之前,它既可能是正面,也可能是反面。

  但事实上,这场技术革命已悄然走到了爆发前夜的关键期。目前,我们能看到全球量子计算赛道呈现出“多条腿走路”的热闹景象:超导量子比特已做到几百甚至几千个,离子阱量子计算系统不断突破新纪录,光量子计算也在快速迭代。然而大家可能不知道的是,这些看似进展迅猛的技术,都绕不开一个致命问题:太“娇弱”。

院士科普|走在十字路口的量子计算:从“薛定谔的猫”到改变世界的力量

中国科学院院士、上海交通大学李政道研究所副所长丁洪

  量子计算现状:热闹背后的“卡脖子”难题

  在我看来,现在的量子比特就像一个容易分心的学生,极其容易被周围环境干扰。哪怕是微弱的温度变化或电磁波动,都可能让计算结果跑偏。我常和学生们讲,量子态太脆弱了,就像薛定谔的猫,不观察时处于叠加态,一旦被干扰就会‘坍缩’,出错也就成了家常便饭。正因为如此,我们不得不耗费大量资源搭建复杂的纠错系统,这就让量子计算的实用化进程大打折扣。

  更让我忧心的是外部环境的挑战。我一直强调,量子科技大部分属于基础科学研究,哪怕走到了最前沿,也依然需要加强合作。另一方面,目前资本市场上也存在不少乱象:大量资金涌入边缘领域,反而让真正需要长期投入的核心技术得不到持续和专注的支持。

  所以我始终呼吁,科研机构和企业要清醒地认识到:量子领域高端人才有限,投入更不能太分散,要推动形成“目标聚焦、能相互促进”的攻关团队。对企业来说,投身量子研究要有“长线思维”,应当借鉴一些灵活而坚定的研发模式,真正为社会、为文明的前进而探索。

  突破点:容错性是关键,“粒子明星”来救场

  要解决量子计算的“不靠谱”,关键在“容错”。面对量子计算的核心困境,丁洪团队将目光投向了一种神秘的粒子态——马约拉纳零能模。“这是量子世界里的‘特殊选手’,它的特性让我们看到了构建高容错量子比特的希望。”丁洪介绍,团队在铁基超导体中成功发现马约拉纳零能模,这一突破为拓扑量子比特的实现提供了关键支撑。

  怎样才能让量子计算变得更“靠谱”?我认为最关键的在于“容错”。我的团队近年来把研究重点放在了马约拉纳零能模上。它在量子世界里可以说是一位“特殊选手”,它的独特性质让我们看到了构建高容错量子比特的新可能。我们在铁基超导体中成功探测到了马约拉纳零能模的存在,这一发现为拓扑量子比特的研制提供了关键支撑。

院士科普|走在十字路口的量子计算:从“薛定谔的猫”到改变世界的力量

马约拉纳零能模的实验证据

  拓扑量子比特最大的优点,是它“天生抗干扰”。不像传统量子比特要靠外部环境来维持稳定,拓扑量子比特把信息储存在量子态的拓扑结构里——就像甜甜圈不管怎么捏、怎么变形,中间那个“洞”永远都在。这种拓扑保护机制让量子比特对局部干扰不敏感,从物理原理上就降低了出错概率,相当于为量子计算筑起了一道“防波堤”。

  在这方面,我们团队一直在努力攻关,希望利用铁基超导材料搭建出稳定的马约拉纳平台——这也是我心中“铁马梦”的核心:真正做出可用的拓扑量子比特。

  实际上这并非遥不可及。2025年2月,微软发布了“马约拉纳一号”芯片,宣称实现了拓扑量子比特的原型机。尽管目前业界对其真实性还存在争论,但这一进展无疑给整个领域打了一剂强心针。

院士科普|走在十字路口的量子计算:从“薛定谔的猫”到改变世界的力量

“马约拉纳一号”芯片

  未来图景:从技术突破到文明升级的量子力量

  常有人问我:量子计算会取代我们现在用的电脑吗?我的回答是:不会取代,而是并行发展。经典计算擅长“线性快算”,量子计算则靠“叠加态”实现“并行运算”——50 个量子比特一次运算,相当于经典计算机算 100 亿次,这种指数级算力将为我们带来全新的可能。

  但我还是要说,量子计算的商业化不会一蹴而就。依我乐观估计,可能还要十到二十年才能看到小规模应用,真正大规模普及或许要四五十年的时间。最先受益的领域其实已经显现:比如量子精密测量可以大幅提升医疗检测的精度,量子加密能从根本上保障通信安全;未来,它还将在药物研发、气象预测、人工智能等领域带来突破。尤其是当量子计算与AI深度融合,甚至有可能催生出超越人类智慧的智能形态,把整个地球文明推向一个新的高度。

  基础研究的突破,往往需要几十年甚至更长时间的积累。但我坚信,当高容错的量子计算机真正实现的那一天,人类将迎来一个“算力爆炸”的新时代——药物研发将大幅提速,气候预测能精准到前所未有的水平,人工智能也会实现如今难以想象的飞跃……这不只是技术的进步,更将是人类文明向更高维度的跨越。

  我坚信量子计算是不可避免的未来,我们期待它早日到来,也愿意为它的实现付出长期而不懈的努力。

  (文章系2025年中关村论坛期间光明网采访丁洪院士的内容,光明网记者焦子原、实习生赵羽彤采访整理)

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