阻碍实用量子计算机发展的量子计算挑战

业内简报

• 在支持具有商业价值的应用之前，量子计算仍面临主要的硬件、纠错、扩展、软件和劳动力挑战。
• 高错误率和退相干限制了当前的量子处理器，而容错系统需要大量的物理量子比特，以及在控制、冷却、布线和制造方面的重大进展。
• 随着行业向容错量子计算迈进，受限的量子算法、不成熟的软件工具和专业人员的短缺增加了进一步的约束。

量子计算吸引了数十亿美元的投资、持续的媒体关注，以及针对单一工程问题最集中的科学人才。进展是显著的，但到目前为止，结果尚未与该领域背后的投资和研究规模相匹配。

到目前为止，还没有量子计算机在具有商业价值的问题上超越经典计算机。目前的系统运行在研究人员所谓的Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) 时代，其特点是设备具有足够的量子比特来展示量子行为，但噪声太大，无法可靠地运行有用的算法。硬件现状与需求之间的差距并不是渐进式改进的问题。它涉及解决几个截然不同的问题，其中每一个本身都很困难，结合起来则更难。

本文涵盖了这些问题是什么，每一个问题的严重程度，以及解决这些问题需要付出什么。

什么是退相干，以及为什么它限制了其他一切

量子比特以量子态存储信息，即 0 和 1 的叠加，这使得量子计算机能够以不同于经典机器的方式处理信息。这种状态是脆弱的。与周围环境的任何相互作用都可能使叠加态坍缩成确定的 0 或 1，最终破坏它所持有的量子信息。

这个过程被称为退相干。它为每一次量子计算设定了严格的时间限制。相干时间（量子比特维持其量子态的时长）因硬件而异。超导量子比特通常保持相干几微秒到几毫秒。在仔细隔离的情况下，离子阱可以保持几秒钟的相干。在 2025 年 9 月的 Caltech 演示中，中性原子阵列在 6,100-qubit 规模下展示了 13 秒的相干时间。

量子计算机执行的每一次操作都必须在该窗口内完成。算法所需的操作如果超过相干时间的允许范围，就无法可靠运行。这一单一约束塑造了当今设计的每一个量子算法、每一个纠错方案以及制造的每一件量子硬件。

量子比特必须与环境隔离以保持相干，但它们也必须被控制和测量，这需要与它们进行交互。这些交互也是噪声的路径。量子计算中的每一种硬件方法都是平衡这种权衡的不同尝试。TQI 关于量子计算机类型的指南涵盖了每种方法如何以不同方式处理这一问题。

量子错误率有多严重？

经典处理器在 10^17 次操作中可能会经历一次错误。目前的量子计算机的逻辑门错误率大约在 1/100 到 1/1,000 之间。这种差距跨越了多个数量级。

错误来自多个来源。退相干随着时间的推移逐渐破坏状态。操作量子比特的控制脉冲是不完美的，定时、幅度或频率的小偏差会在每次操作中引入错误。测量可能会产生错误的读数。相邻的量子比特会通过称为串扰的无用交互相互干扰。

错误会相互叠加。在顺序执行一千次操作的量子计算机中，会有非常多的错误，以至于除非进行某种纠错，否则最终结果将毫无意义。这就是为什么目前的量子计算机局限于简短、浅层电路的原因。