【文/觀察者網 心智觀察所】

是物理學家的終極夢想，也是投資市場的瘋狂炒作。量子計算機，到底行不行？

最近，關于量子計算機的新聞可謂是熱鬧非凡。

就在不久之前，美國商務部突然宣布，向包括IBM、Global Foundries在內的9家量子計算公司投資20億美元，直接換取股權，其中IBM獨占10億。IonQ、D-Wave、Rigetti等量子計算概念股也是一飛沖天。

今年春天，加州理工學院的明星團隊交出設計，聲稱只需數萬個中性原子量子比特，就能破解主流加密算法，并火速成立了初創公司Oratomic。另一邊，谷歌的研究團隊也宣稱他們已經開發出量子計算算法的實現版本。這些進展大大縮短了量子計算機從理論到落地的距離。一時間，量子霸權似乎近在咫尺，仿佛明天就能用上量子計算機了。

與此同時，由西蒙斯創立的美國熨斗研究所（Flatiron Institute）的物理學家們卻用一臺普通筆記本電腦成功解決了人們此前宣稱只有量子計算機才能解決的問題，在量子霸權面前叫陣。這記回馬槍似乎在提醒我們：經典計算機還沒死，甚至還挺能打。

一邊是資本的狂歡和媒體的高呼，一邊是實驗室里易受干擾的量子比特和漫漫工程路。量子計算機，這個被寄予厚望的“顛覆者”，到底走到了哪一步？它什么時候才能真正走進現實？它會取代我們現在的手機和電腦嗎？

從“比特”到“量子比特”：一場計算范式的革命

量子計算機和經典計算機在底層的計算原理、信息編碼方式、運算邏輯上，都有著本質的區別。

你每天用的手機、電腦，底層都是比特（bit）。比特就像一個小小的開關：要么是0（關），要么是1（開）。所有的文字、圖片、視頻、密碼，最終都會被拆解成無數個這樣的0和1，然后被CPU一個接一個地處理。

經典計算機的思維是線性的、順序的，無論多快，它一次只能走一條路。

量子比特（qubit）就完全不一樣了。它具有一種詭異的屬性，即疊加態。

一個經典比特只能是0或者1。但一個量子比特可以“既是0又是1”，還能是0和1以任意比例混合的狀態。比如30%的0加上70%的1，或者各50%。

打一個最直觀的比方：經典比特是桌子上的一枚硬幣，要么正面朝上（0），要么反面朝上（1）；而量子比特是一枚還在空中旋轉的硬幣——在它落地之前，你無法說它是正面還是反面。它同時“是”正面，也同時“是”反面。只有當你伸手抓住它（測量）的那一刻，它才會隨機“坍縮”成一個確定的結果。

“疊加”讓單個量子比特能分身探索無數條路，但光有疊加還不夠，還需要第二個神奇的法術——糾纏。

當兩個量子比特被制備成糾纏態，它們之間就會產生一種不可思議的連接：無論它們相隔多遠，只要測量其中一個的狀態，另一個會瞬間變成與之相關的狀態。沒有任何經典物理能解釋這種關聯，愛因斯坦都稱之為“幽靈般的超距作用”。

糾纏讓所有量子比特的步伐協調一致，使得它們以經典世界無法實現的方式協同工作。

還有一個關鍵步驟，即干涉。

干涉就像一束光通過兩道狹縫后，波峰與波峰疊加變亮、波峰與波谷疊加變暗。量子計算正是利用了這個原理：通過精巧地調控每個量子比特的相位，讓正確答案的概率幅相互增強，讓錯誤答案的概率幅相互抵消。最終，當你去測量量子比特時，就能大幅提高得到正確答案的概率。

所以，量子計算完整的底層邏輯是三股力量的合力：疊加令狀態數指數級爆炸，糾纏令量子比特抱團協作，干涉則把正確答案“篩”出來。

三者合一，才是量子計算碾壓經典計算的底層邏輯。

Shor算法：懸在互聯網頭頂的“達摩克利斯之劍”

是1994年麻省理工學院數學家彼得·肖爾（Peter Shor）提出的一個算法讓全世界政府和網絡安全專家集體失眠。

你現在用網銀、發郵件、刷微信支付，信息都是加密傳輸的。最常用的經典加密系統叫RSA。它的原理其實很簡單：

給你兩個很大的質數，比如13和17，你很容易算出它們的乘積221。但反過來：給你221，讓你猜它是哪兩個質數乘出來的，就變得極其困難。

這個“困難”有多困難？如果用最好的經典算法去分解一個由兩個質數相乘而得到的617位長的合數，全世界所有計算機加起來算到宇宙毀滅也算不完。這個超大的合數就是鎖，那兩個質數則是只有加密者才知道的鑰匙。在這樣巨大的困難面前，大家都默認RSA是安全的。

數學家肖爾則創造一種降維打擊式的算法，他在紙上構造了一臺符合量子力學規則的計算機，用以破解經典計算機無法破解的難題。Shor算法的核心在于把“分解一個大數”這個難題，巧妙地轉化成了量子計算機擅長的“找周期”問題。例如，取一個大數 N=15，計算 2 的 1 次方、2 次方、3 次方……除以 15 的余數。你會發現余數呈現一個循環模式：2, 4, 8, 1, 2, 4, 8, 1……這個循環的長度“4”就是周期。有了這個周期，再根據數論定理，通過幾步簡單的算術，就能算出 15 = 3 × 5。經典計算機只能一個接一個地試出周期，慢到不可接受。而量子計算機利用疊加態，可以一次性同時計算所有冪次的余數。這些結果混在一起，里面隱藏著周期的“頻率”，量子傅里葉變換可從這團雜亂的信息中，像聽出混在噪音里的一個清晰節拍一樣，精準地提取出周期。這就是Shor算法能夠“降維打擊”RSA加密的根本原因。打個極度簡化的比方，經典方法是讓一個人在有一億個抽屜的大房間里一個一個地找鑰匙；Shor算法相當于讓一億個人同時打開一億個抽屜，然后瞬間就知道鑰匙在哪個抽屜里。

分解一個300位的數，經典計算機可能需要15萬年，而量子計算機不到一秒；分解一個5,000位的數，經典計算機需要50億年，而量子計算機只需2分鐘。一臺足夠大的量子計算機運行Shor算法，可以在幾分鐘甚至幾秒鐘內破解RSA和橢圓曲線加密（比特幣的加密基礎正是基于橢圓曲線密碼）。到那時，銀行賬戶、軍事機密、加密貨幣，全都會像沒鎖的門一樣。

這就是為什么各國政府如此緊張。美國那20億美元的投資，很大程度上就是為了在這場“量子解密競賽”中搶得先機。

兩條路逼近加密堡壘

多年以來，Shor算法的威脅僅僅只是紙上談兵。而近來，加州理工學院和谷歌同時取得了令人吃驚的進展，縮短了理論和實踐的距離。

加州理工學院的明星團隊聯合哈佛大學的Lukin實驗室，走的是中性原子（不帶電的原子）路線。一個原子就是一個物理量子比特。激光像“光鑷”一樣捕捉、懸浮并自由排列數千個中性原子。中性原子量子比特之間不依賴固定導線，激光鑷子可以把一個原子直接“抓”到陣列另一端與另一個原子糾纏。由于中性原子不帶電，不容易被環境中的電場干擾，其疊加態可以維持較久。

他們利用了一種叫做qLDPC的新型糾錯碼。傳統的糾錯碼要保護1個用于量子計算的邏輯量子比特免遭環境噪聲的篡改，就需要約1000個物理量子比特（舉個例子，上述中性原子就是物理量子比特），而qLDPC糾錯碼將這個比例壓縮到低至5個物理量子比特即可保護1個邏輯量子比特，糾錯開銷降低了超過100倍。基于這個優勢，他們給出了非常具體的數字：大約只需10,000個物理量子比特，就可以運行Shor算法從未破解比特幣和以太坊采用的256位橢圓曲線加密；提高到26,000個，破解橢圓曲線加密只需約10天；再到102,000個，破解一個2048位RSA整數大約只需97天。

他們當場成立了初創公司Oratomic，論文署名包括量子信息學泰斗John Preskill、中性原子實驗權威Manuel Endres等。

另一邊，谷歌最近動作不斷。

首先是糾錯突破。谷歌的Willow處理器實現了低于閾值的糾錯——增加物理量子比特的數量，邏輯錯誤率不是上升，而是呈指數級下降。這件事被業界視為“登月級別的里程碑”，證明大規模量子計算機在工程上是可行的。

其次是加密破解。今年4月，谷歌提交了一份基于零知識證明（一種密碼學方法，能夠在不透露任何秘密信息的情況下，向別人證明我知道這個秘密）的白皮書，宣布他們開發了Shor算法的實現版本，據稱僅需1200個邏輯量子比特就能破解橢圓曲線加密，比之前的估算降低了約20倍。具體電路細節至今保密。

最后，谷歌宣布將自家系統遷移到后量子加密的時間表定在2029年。這意味著連量子計算的領軍企業自己都認為：萬事俱備，只欠東風，必須有備無患，不能再等了。

最新進展表明，留給經典加密系統的時間，真的不多了。

經典計算機的反殺

就在量子計算風頭無兩的時候，美國熨斗研究所量子物理中心的物理學家們，默默在《科學》雜志上發表了一篇論文，標題很樸實，但內容很“打臉”。

他們用一臺普通的筆記本電腦，跑了一個叫做張量網絡（Tensor Network）的算法，成功模擬了一個復雜的量子動態系統。這個系統有多復雜？今年3月，曾有團隊用量子計算機跑過類似的計算，并宣稱這是經典計算機做不到的。

那么，張量網絡到底是什么？先要知道量子模擬的死穴在哪里。一個由數百個糾纏粒子組成的量子系統，其狀態由一個叫做“波函數”的數學對象描述。這個波函數的大小隨粒子數的增加呈指數級爆炸——幾百個粒子之后，數據量就已經大到連全世界最強的超級計算機都無法直接存儲。這就是物理學家常說的指數墻。

張量網絡就是翻越這堵墻的絕妙辦法。它把波函數這個巨大的數學對象砸扁成一張由許多張量相互連接而成的網絡。網絡上的每個節點都是一個張量，從節點上長出來的“腿”的條數代表張量的階數，每個張量只存儲局部信息，通過“腿”彼此相連，編織成網，從而還原整個系統。可以說，張量網絡就是波函數的“ZIP文件”。

熨斗研究所的Joseph Tindall和他的同事還創造性地改造了一種叫做“信念傳播”的算法——這種算法最早可追溯到20世紀80年代，原本用于經典統計推斷領域——來高效處理這些互聯的量子數據。

結果，他們不僅在筆記本上跑通了，而且在三維晶格模擬中達到了與理論預測及先前量子實驗結果完全一致的精度。

這項突破被評價為對“量子優越性”神話的一次“祛魅”，是對“量子霸權”的挑戰。

量子計算到底能干啥？

你可能想問：除了破解密碼，量子計算機還能給普通人帶來什么好處？答案是：很多。

它可以成為新藥與新材料的“超級模擬器”。今天的藥物研發有點像“神農嘗百草”，需要大量試錯。而很多關鍵的化學反應，比如固氮、光合作用，本質上是電子在分子軌道上的量子行為，經典計算機模擬幾十個電子就撐不住了。量子計算機天生就是干這個的。

它是基礎物理的“虛擬實驗室”。物理學家費曼早就說過：大自然不是經典的，想模擬大自然，你得用量子力學的辦法。去年，谷歌和QuEra兩家獨立團隊分別在量子計算機上成功模擬了“弦斷裂”，即一對夸克被拉開時，能量大到能憑空產生新的正反物質粒子。這是人類第一次直觀地看到這個此前只存在于理論中的過程。

它是AI的“加速卡”。用量子計算機做儲層計算來優化經典AI訓練，效果顯著。澳洲電信Telstra用量子處理器訓練網絡延遲模型，將原本三周的訓練時間壓縮到了兩天。

IonQ：量子計算商業化的一匹黑馬

在眾多量子計算公司中，有一家格外值得關注——IonQ。它不僅是美股量子計算板塊的明星，也是目前商業路徑最清晰、技術壁壘最獨特的玩家之一。

首先，它走的是“囚禁離子”路線。IonQ的技術路線和加州理工的中性原子有些親戚關系，都屬于原子派系，但IonQ用的是帶正電的離子，更易于被電磁場囚禁和操控。IonQ把單個離子懸浮在超高真空的腔體中，然后用極其精密的激光束來操控離子的內部能級，把每個離子變成一個量子比特。

這條路線有幾個天生優勢：其一是相干時間長——離子的疊加態能維持很久；其二是門保真度高——每做一萬次操作，只出一次錯。這在業界屬于頂級水平；其三是全連接性——任意兩個離子量子比特之間都可以直接產生糾纏，不需要鄰居“傳話”。這一點對很多量子算法至關重要。

2026年初，IonQ干了一件震動整個行業的事——以18億美元收購了美國國防級的芯片廠SkyWater Technologies。這家公司不是普通的代工廠，而是美國本土最大的純代工半導體制造廠之一，并且擁有美國國防部認證的1A類可信賴代工廠資質。換句話說，它是美國國防供應鏈的一部分。這筆交易完成后，IonQ成為了全球量子計算行業中唯一一家擁有全棧垂直整合能力的公司——從量子芯片設計、半導體制造到封裝測試，全部由自己掌控。

2026年第一季度，IonQ交出了一份讓華爾街稱奇的成績單：其收入達到6470萬美元，同比暴增755%，連續第四個季度創紀錄。其中60%的收入來自商業客戶，35%來自國際市場，超過三分之一的收入來自采購了多種產品的老客戶。剩余履約義務（已簽約但尚未確認收入的長期合同）達到4.7億美元，同比增長554%。全年收入指引中值上調至2.65億美元。

最硬核的是，IonQ在本季度把公司第一臺第六代256量子比特系統賣給了劍橋大學——這可是全球頂尖學府，能拿下這個客戶本身就是技術實力的證明。

截至財報發布，IonQ市值約為210億美元，遠期市銷率高達約78倍——而科技行業的市銷率中位數通常在3到5倍。分析師給出了平均目標價68.63美元，最高可至100美元。

這是什么意思？市場不是在為它今天的利潤買單，而是在賭它十年后的位置。 如果量子計算真的在未來十年內迎來爆發，IonQ很可能是最早吃到紅利的公司之一。

相比之下，另外兩家公司D-Wave和Rigetti雖然也拿到了美國政府投資，近期的訂單增速也很驚人——D-Wave訂單同比增長近2000%，Rigetti的108量子比特系統已經全面上市——但在技術路線、制造能力和商業收入上，IonQ目前處于領跑位置。

量子計算機還有哪些硬骨頭？

講了這么多振奮人心的進展，我們也得看看面前還橫著幾座大山。

其一是量子比特的“玻璃心”——退相干。量子比特的疊加態極度脆弱。任何一點點熱量、振動、電磁波，甚至宇宙射線，都會讓它瞬間坍縮成普通態，計算當場失敗。要維持疊加態，量子比特必須和外界徹底隔絕——但與此同時，外界又得操控它、讀取它，這本身就是一對根本矛盾。

其二是糾錯的無底洞。即便單個量子比特的錯誤率很低，幾千幾萬個湊在一起，錯誤就成了必然。量子糾錯需要用多個物理量子比特（如原子、離子）編碼成一個用于計算的“邏輯比特”。一臺1000量子比特的機器，真正用于計算的“邏輯算力”可能只有幾十甚至幾個。谷歌Willow的突破證明了“越糾越對”是可行的，但從幾十個邏輯量子比特到能破解RSA加密系統所需的數千個邏輯比特，還有漫長距離。

其三是算法與應用場景的貧瘠。除了Shor算法和少數量子模擬算法，我們目前嚴重缺乏“殺手級應用”。MIT的奧利弗教授直言：“有很多問題，我不知道怎么在經典計算機上算，也不知道怎么在量子計算機上算。”這個領域需要成千上萬的數學家、程序員進入其中，才能創造出足夠多的實用算法。

其四是工程制造的地獄模式。從實驗室的幾十個量子比特，到工廠里數萬個穩定互聯的量子比特，不是簡單堆數量。控制電子學、芯片互聯、低溫封裝、軟件棧……全是工程難題。

眼下的商業化實質

一句話：早得很，但不得不賭。

目前來講，任何經典計算機無法完成的實用之事，量子計算機也做不到。所謂的“商業價值”主要體現在三個層面：其一是戰略卡位。各國政府為了未來的密碼安全和科技霸權瘋狂砸錢，這是國防和基礎研究的剛需。美國政府的20億美元投資，本質上是把量子從“科研命題”升級到了“國家安全基礎設施”的層面；其二是探索性應用。銀行、醫藥、化工巨頭花錢占座，和量子公司合作探索小規模的模擬。哪怕沒產出也不能掉隊；其三是資本市場的未雨綢繆。量子公司的股價，不是在為“當下的利潤”定價，而是在為“量子計算的未來預期”定價。

也許量子計算機就像1950年代的經典計算機。那時IBM的機器有屋子那么大，算力還不如今天的計算器，所有人都說這東西沒用。你看現在如何？量子計算機會走同樣的路——理論可行，潛力無限，但要等工程師們再肝上十幾年。

對于普通人來說，你的銀行密碼至少在五年之內還是安全的。但企業和技術決策者是時候參與進來了。不一定買下機器，但可以學學量子計算機出現之后的加密模式，甚至可以想想，如果一臺強大的量子計算機明天就能出來，我的行業會被顛覆嗎？

量子計算機的快車剛剛駛出站臺。機會總是留給有準備的人。

參考文獻

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/

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