量子計算革命一觸即發(fā)：IBM新芯片有望攻克千年難題
IBM研究員手持該公司Loon實(shí)驗(yàn)量子處理器的晶圓
當(dāng)?shù)貢r間11月12日，在人工智能持續(xù)主導(dǎo)科技話題的當(dāng)下，一場更為深刻的計算革命正悄然逼近。它試圖解開一個人類追尋已久的“千年難題”：讓計算機(jī)像自然界一樣并行思考。
這一“千年難題”的哲學(xué)根源可追溯到古代，當(dāng)人類首次思考“理性能否模擬自然”時，計算的概念便開始萌芽。近代，它轉(zhuǎn)化為科學(xué)命題：如何讓機(jī)器在有限時間與能量內(nèi)，重現(xiàn)復(fù)雜世界的無限變化？傳統(tǒng)計算機(jī)基于確定性與二進(jìn)制的邏輯體系，而現(xiàn)實(shí)世界遵循量子疊加與概率的不確定規(guī)律。這兩者間的差距，是計算科學(xué)幾百年來未能跨越的障礙。
IBM于今日在紐約奧爾巴尼發(fā)布了兩款實(shí)驗(yàn)性量子芯片——Loon處理器與Nighthawk芯片。研究人員表示，這一突破或許能讓機(jī)器首次按照量子物理規(guī)律進(jìn)行計算，解決傳統(tǒng)計算無法攻克的復(fù)雜問題。這不僅是技術(shù)革新，更可能標(biāo)志著人類與“千年計算難題”的距離已縮短至可見范圍。
IBM研究總監(jiān)杰伊·甘貝塔（Jay Gambetta）在發(fā)布會上稱：“我們正在嘗試做一件從未有人做到的事，即讓量子系統(tǒng)在不完美的情況下持續(xù)運(yùn)作?！边@一宣言，不僅是技術(shù)上的突破，更像是人類與千年計算難題的正式對話：讓機(jī)器以自然的方式計算自然。
01.IBM芯片的突破：從理論走向可行
位于紐約州奧爾巴尼的IBM納米科技實(shí)驗(yàn)室
量子計算的歷史幾乎與現(xiàn)代物理學(xué)同步。從薛定諤方程到圖靈機(jī)模型，科學(xué)家們一直在探尋將自然復(fù)雜性轉(zhuǎn)化為可計算邏輯的方法。直到21世紀(jì)，隨著量子信息科學(xué)的迅速發(fā)展，這一理想才有了實(shí)現(xiàn)的可能。
IBM此次推出的Loon與Nighthawk芯片，主要目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)“容錯量子計算機(jī)”奠定基礎(chǔ)。“容錯”指的是系統(tǒng)即便存在計算誤差，也能通過自我糾正保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。這一直是量子計算走出實(shí)驗(yàn)室、進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界的最大阻礙。
Loon處理器是IBM在該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺。它展示了大規(guī)模量子計算所需的核心組件，并在硬件層面實(shí)現(xiàn)了對誤差的控制與隔離。Nighthawk芯片則進(jìn)一步優(yōu)化了量子門（quantum gates）結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能夠執(zhí)行更復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)，被視為IBM實(shí)現(xiàn)“通用量子計算機(jī)”路線圖上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
甘貝塔解釋道：“以往的量子芯片往往只能在極低溫環(huán)境中短暫運(yùn)行，但Loon與Nighthawk證明，我們已能讓系統(tǒng)在錯誤和噪聲中持續(xù)計算，這意味著容錯架構(gòu)不再只是理論?！?/p>
IBM表示，這一成果表明量子計算正從“物理可行性”邁向“工程可靠性”的新階段。公司首席執(zhí)行官阿爾溫德·克里希納（Arvind Krishna）在聲明中指出：“如果說人工智能讓計算學(xué)會了思考，那么量子計算將讓計算學(xué)會推演未來?！?/p>
02.破解千年謎題：量子計算的原理與潛力
“千年難題”并非指時間上的千年，而是象征人類自古以來對計算本質(zhì)的探索。從古巴比倫的天文算法到萊布尼茨的二進(jìn)制體系，從圖靈機(jī)到超級計算，人類一直依靠確定性邏輯來描述世界。然而，量子世界的運(yùn)行規(guī)律并非如此：粒子可以同時處于多個狀態(tài)，可以“糾纏”成整體，也可以在觀察中坍縮。
量子計算試圖解答的，正是那個困擾科學(xué)家數(shù)百年的問題：如何讓機(jī)器在不確定性中計算確定性？
與傳統(tǒng)計算機(jī)依賴二進(jìn)制比特（0與1）的邏輯不同，量子計算機(jī)的核心單元是量子比特（Qubit）。量子比特可以處于“0”和“1”的疊加狀態(tài)，即能同時代表多種可能性。這種特性賦予量子計算機(jī)指數(shù)級的并行處理能力。
麻省理工學(xué)院教授阿南德·納塔拉詹（Anand Natarajan）形象地解釋：“想象一枚旋轉(zhuǎn)中的硬幣。經(jīng)典比特是硬幣落地的正反面，而量子比特是在旋轉(zhuǎn)中——它既是正面，也是反面?！?/p>
這一特性使量子計算能在極短時間內(nèi)完成傳統(tǒng)計算機(jī)需要數(shù)千年才能完成的任務(wù)。例如，制藥行業(yè)可利用量子計算在分子層面模擬藥物反應(yīng)，大幅縮短新藥研發(fā)周期；材料科學(xué)能在原子尺度上設(shè)計輕量合金或高溫超導(dǎo)材料；金融機(jī)構(gòu)可用量子算法即時計算復(fù)雜衍生品定價或風(fēng)險模型；氣候研究可模擬地球系統(tǒng)變化，預(yù)測極端天氣模式。
麥肯錫的報告顯示，到2035年，72%的科技高管和投資人認(rèn)為容錯量子計算將實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地。一旦成功，它將成為人類繼AI之后最具顛覆性的科技突破。
然而，量子計算的潛能與挑戰(zhàn)并存。量子比特的“疊加態(tài)”極為脆弱，溫度變化、磁場波動甚至一束微弱光線都可能導(dǎo)致其“坍縮”，使計算失敗。正如IBM科學(xué)家所說：“震動一張桌子，足以讓整臺量子計算機(jī)報廢?！?/p>
這正是Loon處理器誕生的背景。它不追求絕對完美，而是通過數(shù)學(xué)與工程手段，讓系統(tǒng)能夠在“錯誤中生存”。這種從“追求完美”到“容忍不完美”的轉(zhuǎn)變，正是量子工程的本質(zhì)飛躍。
03.全球量子競賽的白熱化
研究人員在谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室檢查用于冷卻量子計算芯片的低溫恒溫器
IBM的突破無疑使這場全球性的“量子軍備競賽”更加激烈。近兩年，谷歌、微軟、英特爾以及歐洲與中國的研究機(jī)構(gòu)紛紛公布量子項(xiàng)目的新進(jìn)展，都想在下一個計算時代占據(jù)主導(dǎo)地位。
·谷歌（Google Quantum AI）
2024年底，谷歌推出名為Willow的量子芯片，宣稱在5分鐘內(nèi)完成的運(yùn)算任務(wù)，相當(dāng)于傳統(tǒng)超級計算機(jī)需要10的24次方年。該芯片的設(shè)計重點(diǎn)是降低“擴(kuò)展誤差”，即當(dāng)量子比特數(shù)量增加時，誤差仍保持線性增長，而非指數(shù)惡化。
·微軟（Microsoft Quantum）
2025年初，微軟宣布研制出Majorana 1芯片，采用拓?fù)淞孔硬牧?，理論上能產(chǎn)生更穩(wěn)定的量子比特。微軟稱這是“創(chuàng)造新物質(zhì)形態(tài)”的成果，可顯著延長量子信息的壽命。
·新興力量
初創(chuàng)公司Quantinuum正在與寶馬集團(tuán)和空中客車合作，利用量子算法提高燃料電池效率；1QBit與埃森哲實(shí)驗(yàn)室、Biogen合作，探索量子模擬在藥物設(shè)計中的應(yīng)用。
這些項(xiàng)目的共同目標(biāo)是讓量子計算從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)工業(yè)。正如麻省理工學(xué)院教授納塔拉詹所說：“未來的實(shí)驗(yàn)室可能不再需要試管和顯微鏡，而是運(yùn)行在量子平臺上的模擬環(huán)境。”
與此同時，各國政府也積極參與其中。有報道稱，部分量子企業(yè)正與美國商務(wù)部商討以政府資金換取股權(quán)的合作模式。盡管官方未證實(shí)，但這表明量子技術(shù)已被提升為國家戰(zhàn)略資產(chǎn)。
04.從突破到應(yīng)用：量子時代的臨界點(diǎn)
盡管IBM的Loon與Nighthawk代表了量子計算的重要進(jìn)展，但要真正進(jìn)入“量子時代”，仍需跨越技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與倫理三重門檻。
一是技術(shù)門檻。量子計算機(jī)的運(yùn)行需要維持在接近絕對零度（-273°C）的環(huán)境中，這使得其大規(guī)模部署成本極高。此外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、量子門深度、量子連通性等指標(biāo)仍存在限制。IBM計劃在2030年前推出具備上千量子比特的商用級系統(tǒng)，并構(gòu)建開放云平臺，允許科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)遠(yuǎn)程調(diào)用量子算力。
二是經(jīng)濟(jì)門檻。麥肯錫估算，全球量子計算領(lǐng)域的年投資額已超過70億美元。但短期內(nèi)尚未形成穩(wěn)定的盈利模式。IBM、谷歌等公司正采用“量子即服務(wù)”（Quantum-as-a-Service）商業(yè)模式，先行開放算法平臺，為制藥、金融和材料企業(yè)提供實(shí)驗(yàn)性算力。
三是安全與倫理門檻。一旦量子計算達(dá)到臨界能力，現(xiàn)有的RSA、橢圓曲線等加密算法可能在數(shù)分鐘內(nèi)被破解。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）已啟動“后量子加密標(biāo)準(zhǔn)”制定計劃，以防范未來風(fēng)險?！罢l率先擁有量子計算能力，誰就擁有重新定義網(wǎng)絡(luò)安全的權(quán)力?！奔{塔拉詹警告。
IBM的研究人員或許意識到，Loon和Nighthawk并非單一科技產(chǎn)品的誕生，而是一場人類計算文明的重啟。從算盤到晶體管，從AI到量子比特，人類一次次突破計算極限的邊界。而如今，量子計算讓我們首次觸及“時間與復(fù)雜性不再是障礙”的未來。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授斯里達(dá)爾·塔尤爾（Sridhar Tayur）說：“今天我們?nèi)栽谟蒙鬃雍筒孀幼瞿X外科手術(shù)，但量子計算機(jī)，將是那把真正的手術(shù)刀?！被蛟S，真正改變世界的，不是讓機(jī)器更像人類的AI，而是讓機(jī)器跳出人類思維束縛的量子智能。
本文來自“騰訊科技”，作者：無忌，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
本文僅代表作者觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請?jiān)谖闹凶⒚鱽碓醇白髡呙帧?/p>
免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請及時與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com