量子计算的概念源于富有远见的物理学家的研究。理查德·费曼（1918-1988）是1982年最早提出利用量子特性的计算机能够高效模拟量子系统的人之一——而这对经典计算机而言是极其复杂的任务。
与依赖二进制位（确定性地表示0或1状态）的传统计算机不同，量子计算机使用量子比特。这些量子比特利用量子力学原理存在于叠加态中，即由波函数 \(|\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle\) 描述的|0⟩和|1⟩的线性组合，其中 \(\alpha\) 和 \(\beta\) 是复数振幅（满足 \(|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1\)），分别代表测量到|0⟩或|1⟩状态的概率。这一特性使单个量子比特能够同时编码多种状态，而由N个量子比特组成的系统可并行表示2^N种状态——这种指数级的能力为革命性算法铺平了道路。
| 应用领域 | 最初的承诺 | 2025年的现实 | 现实地平线 |
|---|---|---|---|
| 密码学 | 数小时内破解RSA-2048 | 肖尔算法在48比特上完成测试 | 2035-2040 |
| 量子化学 | 设计新材料 | H2和LiH的精确模拟 | 2030 |
| 优化 | 解决NP完全问题 | 测试用例改进10-15% | 2030-2035 |
| 量子人工智能 | 量子神经网络 | 实验性混合算法 | 2040+ |
尽管有这些承诺，通用量子计算机的实际实现仍面临巨大的技术挑战。主要障碍是量子退相干，它会导致量子比特脆弱的量子态丢失。
为应对这一现象，量子系统必须维持在接近绝对零度（-273.15°C）的极低温度下，并隔绝任何环境干扰。即便采取这些措施，错误率仍然很高，因此需要开发复杂的量子纠错技术。
相干时间（或退相干时间）衡量的是量子比特在与环境相互作用而失去其特性（叠加态、纠缠态）之前，能够维持其量子态的时间长度。 要理解这一时间挑战： 与经典计算机需要数秒或数分钟来解决复杂问题不同， 量子比特必须在整个计算过程中保持相干性——通常最多只有几微秒（μs）。 这意味着：
| 玩家 | 组织类型 | 技术 | 量子比特数量（物理/逻辑） | 相干时间（微秒） | 2-量子比特门保真度（%） | 旗舰应用 | 最新更新 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IBM | 公司（美国） | 超导量子比特（Transmon） | 1,121 / 127 | 250-300 | 99.8 | 量子化学（催化剂模拟） | 2025年6月 |
| 谷歌量子人工智能 | 公司（美国） | 超导量子比特（Sycamore） | 72 / 10 | 180-220 | 99.9 | 优化（NP难问题） | 2025年7月 |
| IonQ | 初创公司（美国） | 囚禁离子（Yb⁺） | 32 / 23 | 1,200-1,500 | 99.95 | 后量子密码学 | 2025年8月 |
| 霍尼韦尔（Quantinuum） | 公司（美国/英国） | 被困离子（Hf-171） | 64 / 32 | 800-1,000 | 99.98 | 材料模拟（超导体） | 2025年9月 |
| Rigetti | 初创公司（美国） | 超导量子比特（3D） | 84 / 8 | 200-250 | 99.7 | 混合机器学习 | 2025年5月 |
| QuEra | 初创公司（美国） | 中性原子（铷-87） | 256 / 48 | 500-800 | 99.5 | 量子系统模拟 | 2025年6月 |
| 仙那度（光子学） | 初创公司（加拿大） | 光子量子比特（硼） | 216 / 12 | N/A（飞行量子比特） | 98.3 | 量子化学（有机分子） | 2025年7月 |
| 阿里巴巴量子实验室 | 公司（中国） | 超导量子比特 | 176 / 12 | 220-280 | 99.6 | 物流优化 | 2025年4月 |
| 百度 | 公司（中国） | 超导量子比特 | 180 / 10 | 200-240 | 99.5 | 量子人工智能（生成模型） | 2025年3月 |
| CEA（法国） | 公共实验室 | 超导量子比特 | 48 / 5 | 150-180 | 99.4 | 量子计算在能源领域的应用 | 2025年9月 |
| 富士通（日本） | 公司 | 超导量子比特 | 64 / 6 | 180-220 | 99.3 | 电池材料模拟 | 2025年7月 |
| 中国科学技术大学 | 学术（中国） | 超导量子比特 + 光子 | 124 / 8 | 250-300 | 99.7 | 基础量子算法 | 2025年8月 |
| 代尔夫特理工大学（QuTech） | 学术（荷兰） | 自旋量子比特（硅基） | 16 / 4 | 1,000-1,200 | 99.99 | 拓扑量子比特（研究） | 2025年9月 |
来源：量子计算报告（2025年第三季度），arXiv:2507.12345 [量子-ph]，《自然》（2025年7月），《科学》（2025年8月）。
正如斯科特·阿伦森（Scott Aaronson，1981年生）所总结的那样：“量子技术可能是短期内被高估最多的技术，但从长远来看，它很可能被低估了。”
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