量子芯片會不會是下一個(gè)“原子彈”？

文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

1980年，一位名叫尤里·曼寧的俄羅斯數(shù)學(xué)家在著作《可計(jì)算和不可計(jì)算》中首次提出了量子計(jì)算機(jī)的概念。這一年，量子計(jì)算還只是一個(gè)模糊的理論設(shè)想，連它的提出者自己都不知道，這個(gè)想法是否真的能夠成為現(xiàn)實(shí)。

一年后的1981年，美國物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼獨(dú)立提出了相同的概念，并在一次演講中指出：“自然不是經(jīng)典的，如果你想模擬自然，最好用量子力學(xué)來做。”正是這句話，點(diǎn)燃了量子計(jì)算研究的星星之火。

此后漫長的歲月里，量子計(jì)算經(jīng)歷了反復(fù)的挫折與等待。

1994年，彼得·秀爾在貝爾實(shí)驗(yàn)室提出了著名的秀爾算法，證明了量子計(jì)算機(jī)可以在理論上破解現(xiàn)行加密體系；1999年，加拿大物理學(xué)家喬迪·羅斯創(chuàng)立了D-Wave——世界上第一家量子計(jì)算公司；2007年，D-Wave推出了16位量子比特的量子退火模擬機(jī)，這是量子計(jì)算機(jī)第一次從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

歷史似乎在反復(fù)證明一件事：量子計(jì)算永遠(yuǎn)是一個(gè)“十年后”的技術(shù)。

然后，時(shí)間來到了2019年10月。那個(gè)秋天的凌晨，在谷歌位于加州圣巴巴拉的研究園區(qū)里，一群工程師正圍著一臺名為“Sycamore”的量子芯片屏息以待。這臺只有53個(gè)量子比特的芯片，在200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)特定任務(wù)。同樣的任務(wù)，如果用當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)"Summit"來完成同樣的任務(wù)，需要一萬年。2019年10月23日，谷歌正式在《Nature》雜志上發(fā)表論文，宣布實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”——這是量子計(jì)算發(fā)展史上第一次，量子計(jì)算機(jī)在特定問題上超越了所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

消息傳來，全球輿論沸騰。《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》稱之為“量子衛(wèi)星時(shí)刻”。人們突然意識到：那個(gè)曾經(jīng)只存在于理論中的“未來”，可能真的來了。

但很少有人知道，谷歌那個(gè)凌晨的背后，是一場已經(jīng)持續(xù)了四十年的技術(shù)競賽。從曼寧的數(shù)學(xué)構(gòu)想，到硅谷車庫里的創(chuàng)業(yè)公司，再到今天中美歐日韓的傾國投入，量子計(jì)算從來就不只是一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，它從誕生的第一天起，就成了大國博弈的焦點(diǎn)。

這是一個(gè)關(guān)于等待、失敗、偏見和重新崛起的故事。

“原子彈”的隱喻

當(dāng)“原子彈”被用來形容量子芯片時(shí)，它觸及的不只是技術(shù)威力的恐懼，更是一種文明焦慮。

1945年7月16日，人類第一顆原子彈在新墨西哥州的沙漠中試爆成功。奧本海默在那一刻想起了印度史詩《薄伽梵歌》中的一句話：“現(xiàn)在我成了死神，世界的毀滅者。”此后不到一個(gè)月，廣島和長崎被夷為平地。原子彈不僅終結(jié)了二戰(zhàn)，也開啟了大國核威懾的時(shí)代。

今天，當(dāng)人們用“原子彈”形容量子芯片時(shí)，他們在恐懼什么？

第一個(gè)層面是密碼系統(tǒng)的崩塌。現(xiàn)行全球金融、軍事通信、政府機(jī)密的加密基礎(chǔ)，幾乎全部建立在“經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法在合理時(shí)間內(nèi)分解大整數(shù)”這一數(shù)學(xué)假設(shè)之上。但秀爾算法已經(jīng)證明：一旦擁有足夠強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，這個(gè)假設(shè)將在一夜之間失效。2023年，美國國家安全局發(fā)布公告，敦促所有政府機(jī)構(gòu)盡快遷移到“后量子密碼”體系。

第二個(gè)層面是全球范圍的舉國動(dòng)員。今天，全球主要經(jīng)濟(jì)體都在以國家之力投入量子研發(fā)，中國的“十四五”規(guī)劃將量子信息列為優(yōu)先前沿科技；歐盟啟動(dòng)“Quantum Flagship”，承諾十年內(nèi)投入十億歐元；美國國會通過兩黨法案，向量子研究投入超過十二億美元。

目前，從企業(yè)國家分布看，歐盟有量子企業(yè)230 余家，占比29%，其中德國量子企業(yè)數(shù)量超過 70 家。美國量子企業(yè)數(shù)量 210 余家，占比 26%。我國有量子企業(yè) 140 余家，占比 17%。

如果我們仔細(xì)審視這個(gè)類比，量子計(jì)算的影響將是全方位的，而非僅限于軍事或破壞。原子彈是武器，用途單一而明確——?dú)纭６孔有酒皇且环N“東西”，而是一類“能力”。它可能顛覆密碼學(xué)，但它也可能幫助人類研發(fā)抗癌藥物、設(shè)計(jì)新型材料、優(yōu)化全球物流網(wǎng)絡(luò)。

但是，量子芯片確實(shí)有改變權(quán)力格局的潛力。掌握了量子芯片能力，誰就在信息時(shí)代擁有了不對稱優(yōu)勢。但它不會像原子彈那樣是一個(gè)明確的時(shí)刻，量子芯片能力的增長將是漸進(jìn)的、商業(yè)化的、需要長期投入的。

六路競逐，量子計(jì)算的技術(shù)版圖

2024年12月，量子芯片領(lǐng)域迎來了一場久違的“同步”。谷歌和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后發(fā)布了各自最新的105比特超導(dǎo)量子芯片，再度點(diǎn)燃了產(chǎn)業(yè)界對量子計(jì)算的熱情。

潘建偉團(tuán)隊(duì)演示的祖沖之三號量子處理器示意圖。

在谷歌發(fā)布新一代量子芯片“Willow”的前后兩天，遠(yuǎn)在合肥的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校園里，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)宣布成功研發(fā)同規(guī)格的“祖沖之3.0”處理器。這兩款幾乎同期發(fā)布的處理器，在量子比特?cái)?shù)量上持平，但在架構(gòu)設(shè)計(jì)上走向了不同的方向。

第一條路線是超導(dǎo)量子計(jì)算。這是目前最主流、商業(yè)化程度最高的技術(shù)路線。谷歌、IBM、英特爾、Rigetti，以及中國的本源量子，都在這個(gè)方向上投入了大量資源。超導(dǎo)量子芯片的基本原理是：在接近絕對零度的極低溫環(huán)境下，利用超導(dǎo)電路中的“約瑟夫森效應(yīng)”來創(chuàng)建量子比特。這種路線的優(yōu)點(diǎn)是：量子門操作速度快、與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝兼容、易于規(guī)模化。缺點(diǎn)是：需要極其昂貴的低溫稀釋制冷機(jī)、量子比特的相干時(shí)間有限、對環(huán)境噪聲極度敏感。

2025年6月，微軟宣布了其四維拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)碼技術(shù)的最新進(jìn)展，聲稱將量子比特錯(cuò)誤率降低了千倍，量子計(jì)算機(jī)首次具備了處理復(fù)雜任務(wù)的可靠性。

量子經(jīng)典數(shù)據(jù)流（來源：IBM）

IBM則采取了更為激進(jìn)的商業(yè)化策略。IBM提出了“以量子為中心的超級計(jì)算機(jī)”概念，將量子處理器、CPU和GPU整合到同一個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)中。用QPU解決負(fù)責(zé)處理那些需要指數(shù)級經(jīng)典內(nèi)存才能模擬的量子線路。

第二條路線是光量子計(jì)算。這是中國目前領(lǐng)先的技術(shù)方向。以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)為代表的“光量子派”，利用光子作為量子比特的載體。光子的優(yōu)點(diǎn)是：相干時(shí)間長、不需要極低溫環(huán)境、對環(huán)境噪聲相對不敏感。

2025年2月，北京大學(xué)和山西大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在集成光子量子芯片領(lǐng)域取得了重大突破。首次在芯片上實(shí)現(xiàn)了“連續(xù)變量”量子糾纏簇態(tài)。這一成果發(fā)表在《Nature》雜志上，解決了光子量子芯片發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵空白。

這就是當(dāng)前量子芯片領(lǐng)域最核心的張力：技術(shù)路線之爭背后，是兩種創(chuàng)新哲學(xué)的碰撞。超導(dǎo)路線依托于現(xiàn)有的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，技術(shù)成熟度高、商業(yè)化路徑清晰，但物理瓶頸明顯；光量子路線在特定問題上表現(xiàn)驚艷，但距離通用計(jì)算還有很長的路要走。

在更深層次上，這場競賽正在演變成兩個(gè)陣營的對壘。

美國陣營以谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭為核心，加上IonQ、Rigetti等初創(chuàng)公司，以及MIT、斯坦福、哈佛等頂尖研究型大學(xué)。美國在超導(dǎo)量子芯片和離子阱路線上都有深厚積累。2022年，美國商務(wù)部將量子計(jì)算列入出口管制清單，限制向中國出口先進(jìn)量子技術(shù)設(shè)備和材料。

中國陣營以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、本源量子、華為等機(jī)構(gòu)和企業(yè)為核心，在光量子計(jì)算和超導(dǎo)量子計(jì)算兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)力。中國的優(yōu)勢在于：政府決策高效、研發(fā)投入巨大、人才儲備豐富。2025年，中國電信子公司完成了對國盾量子的控股權(quán)變更，標(biāo)志著中國量子產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入資源整合的新階段。

需要指出的是，量子計(jì)算的賽道從未局限于單一或兩種選擇。當(dāng)前，全球量子計(jì)算正處于前沿科學(xué)研究與原型樣機(jī)開發(fā)的科技攻關(guān)關(guān)鍵期。超導(dǎo)、離子阱、中性原子、光量子、硅半導(dǎo)體、拓?fù)?/strong>等多種技術(shù)路線正在并行發(fā)展、開放競爭。 每一種路線都有其獨(dú)特的物理優(yōu)勢和工程挑戰(zhàn)，最終哪種路線能通向通用量子計(jì)算，業(yè)界尚無定論。

中國量子芯片故事

要理解中國量子芯片的今天，需要回到1980年代，這是一段幾乎被遺忘的起點(diǎn)。

1980年代初期，中國量子計(jì)算研究幾乎是一片空白。那時(shí)的中國，改革開放剛剛起步，科研經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，大多數(shù)研究型大學(xué)連像樣的低溫實(shí)驗(yàn)室都沒有。在這樣的條件下，一批年輕的中國物理學(xué)家開始嘗試進(jìn)入量子計(jì)算這個(gè)領(lǐng)域。

郭光燦是中國量子計(jì)算事業(yè)的奠基人之一。1980年代末期，他在意大利和國際學(xué)者交流時(shí)接觸到了量子信息理論，立刻意識到這將是一個(gè)改變未來的領(lǐng)域。1999年，郭光燦在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)創(chuàng)立了量子信息實(shí)驗(yàn)室，開始了漫長的拓荒之旅。

2001年，郭光燦第四次申請“973計(jì)劃”，終于成功，申請到了國家首個(gè)量子信息領(lǐng)域的973計(jì)劃，獲得2500萬元科研經(jīng)費(fèi)。作為首席科學(xué)家，他不僅要考慮自己的團(tuán)隊(duì)，更要考慮國家量子信息未來的發(fā)展。“中國要在世界上競爭，靠一個(gè)團(tuán)隊(duì)是不行的，必須團(tuán)結(jié)國內(nèi)所有力量來參與競爭。”

2017年，郭國平創(chuàng)立了本源量子，中國第一家量子計(jì)算公司。本源量子選擇了超導(dǎo)量子芯片作為主攻方向，這是一條與谷歌、IBM直接競爭的技術(shù)路線。從0到1的過程是艱難的：高端制冷機(jī)禁運(yùn)，中國團(tuán)隊(duì)不得不自己研發(fā)低溫設(shè)備；量子芯片制造需要先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，國內(nèi)供應(yīng)鏈不完善。

2021年，本源量子發(fā)布了“悟本”，中國第一臺超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。這臺擁有24個(gè)量子比特的處理器，雖然在規(guī)模上還不如谷歌的"Sycamore"，但它的意義在于：它是中國第一次在超導(dǎo)量子芯片這個(gè)主流技術(shù)路線上完成了從0到1的突破。

2024年，中國量子芯片行業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展期。2025年是一個(gè)具有里程碑意義的年份。11月，搭載“祖沖之三號”同款芯片的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“天衍-287”完成搭建，這是中國首個(gè)具備“量子計(jì)算優(yōu)越性”能力的量子計(jì)算系統(tǒng)。同一年，“天目2號”百比特芯片實(shí)現(xiàn)了“熱”拓?fù)溥吘墤B(tài)，顯著提升了量子信息的穩(wěn)定性，推動(dòng)了超導(dǎo)量子芯片的實(shí)用化進(jìn)程。

當(dāng)前，中國量子芯片是并跑嗎？

客觀來看，中國量子芯片目前的狀態(tài)是：在特定技術(shù)指標(biāo)上領(lǐng)先，在整體能力上仍存差距，在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上相對滯后。

在量子計(jì)算方面，中國與美國的差距大約在3到5年左右。量子比特的數(shù)量不是唯一指標(biāo)——相干時(shí)間、門保真度、量子體積等都是衡量量子芯片性能的關(guān)鍵參數(shù)。在這些綜合指標(biāo)上，中國與國際先進(jìn)水平的差距仍然明顯。

更值得關(guān)注的是產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)化層面的差距。量子芯片的商業(yè)化需要完整的生態(tài)系統(tǒng)，包括硬件制造、軟件開發(fā)、云服務(wù)、應(yīng)用落地、人才培訓(xùn)等多個(gè)環(huán)節(jié)。

結(jié)語

據(jù)全球前沿科技咨詢公司ICV報(bào)告預(yù)測，2027年，專用量子計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)性能突破，帶動(dòng)整體市場規(guī)模達(dá)到105.4億美元；在2028年至2035年，市場規(guī)模將繼續(xù)迅速擴(kuò)大，受益于通用量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和專用量子計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，到2035年總市場規(guī)模有望達(dá)到8117億美元。

2026年以來，國內(nèi)量子計(jì)算領(lǐng)域多起融資項(xiàng)目規(guī)模超億元。具體到企業(yè)端，從2026年以來的投融資項(xiàng)目規(guī)模來看，量子科技賽道的投融資項(xiàng)目有著“數(shù)量增多、規(guī)模逐漸增大”的特點(diǎn)。截至目前，2月共3家企業(yè)分別獲得3次融資，1月有6家企業(yè)獲得共7次融資。

我國量子科技領(lǐng)域科研的發(fā)展，在理論不斷實(shí)現(xiàn)突破的同時(shí)，投融資開始快速轉(zhuǎn)化成項(xiàng)目。2026年，已經(jīng)邁入量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)加速邁向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵窗口期。