量子计算：量子门与测量

在本系列关于量子计算的第一篇文章（发表于 2026 年 5 月号的 OSFY）中，我们探讨了量子计算的一些基本概念，包括量子比特（qubits）和 Hadamard 门的操作。在本系列的第二篇文章中，我们将研究一些额外的量子门，并学习如何对量子比特进行测量，以从量子系统中提取信息。

正如在上一篇文章中所讨论的，我们对量子计算的探索将在三个层面上进行：编码层面、数学层面和硬件层面。虽然我们计划在整个系列中使用多个平台和编程语言来开发量子算法，但我们将从 Qiskit 开始，它是 IBM 的量子软件开发工具包 (SDK)。在上一篇文章中，我们安装了 Qiskit 并成功执行了我们的第一个量子程序。

我们将在整个系列中探索的另一个主题是量子计算的历史和该领域的最新发展。在上一篇文章中，我们讨论了量子计算机背后的动机，以及为实用量子计算铺平道路的两个开创性算法：Shor 算法和 Grover 算法。在本文中，我们将注意力转向在寻求构建实用量子计算机的过程中提出的各种硬件架构，这些架构已经过测试和开发。

今天，有几种相互竞争的构建量子计算机的方法，目前尚不清楚哪种架构最终会通向大规模、容错的量子计算机。一些领先的方法包括超导量子比特、离子阱量子计算机、中性原子量子计算机、光子量子计算机等。目前，没有人能确定地预测这些架构中的哪一个最终会占据主导地位。

这种情况与经典计算的早期阶段有些相似。在 1940 年代后期和 1950 年代初期，没有人知道新发明的晶体管是否最终会取代电子管。早期的晶体管价格昂贵、相对不成熟且性能有限，而电子管则拥有数十年的工程经验支持，并且是当时几乎所有电子计算机的基础。然而，半导体技术的持续改进逐渐使天平向晶体管倾斜。到 1960 年代，基于晶体管的计算机已明确成为主导技术，为集成电路和驱动当今数字世界的现代微处理器奠定了基础。历史表明，竞争中的量子架构之间的最终胜者可能同样难以预测，而最终定义量子时代的技术未必是当今看起来最有前途的那一个。

现在，让我们来看看一些主要的竞争性量子计算架构。下面的排序大致遵循了我个人认为的目前实用性和成熟度水平，从最广泛使用且在商业上最成功的方案开始，到那些仍然具有高度推测性的方案结束。需要强调的是，这一排名反映了由量子计算社区内的普遍共识所告知的个人观点，绝非被普遍接受。最终的胜者很可能与许多研究人员今天的预期大不相同。

请记住，在下面列出的每种量子计算架构中，正在解决的基础硬件问题都是量子比特的物理实现——即量子比特如何形成、操作以及如何防止错误。

• 超导量子比特在约 15 毫开尔文的温度下运行，比外太空还要冷。这是目前最成熟且在商业上最成功的方案，由 IBM、Google、Rigetti 和 IQM 推进。
• 离子阱量子比特使用真实的原子，如镱或钡离子，通过电磁场和激光脉冲进行悬浮和操作。主要参与者包括 IonQ、Quantinuum 和 Alpine Quantum Technologies。
• 光子量子比特使用光子作为量子信息的载体，是少数可以在室温下运行的架构之一。开发这项技术的公司包括 PsiQuantum、Xanadu 和 ORCA Computing。
• 中性原子量子比特采用被光镊捕获的单个原子，可以排列成任意的二维甚至三维图案。该领域的重要公司包括 QuEra Computing、Atom Computing 和 Pasqal。
• 硅自旋量子比特将信息编码在限制在硅中的电子自旋中，并有可能利用现有的半导体制造工艺。Intel、Diraq 和几个学术实验室正在进行重大努力。
• 拓扑量子比特在理论上预期比其他量子比特技术更具抗错性，但许多所需的物理现象仍有待结论性地证明。这种方案主要由 Microsoft 和各种研究小组推进。