量子技術正處於高速發展階段，但大多數商業化應用距離落地仍需數年時間。量子經濟發展聯盟（QED-C）代表行業發聲，發布相關報告與路線圖。當前需要明確定義的三大核心要素分別是：量子比特（qubit）、糾錯機制，以及控制軟體與算法軟體。
量子計算究竟是什麼
量子計算在社會上留下了一種"古怪、難以理解"的印象，這在某種程度上並不為過——畢竟有句老話說得好："如果你覺得自己理解了量子，那你顯然並不真正理解它。"
量子計算會顛覆我們沿用數十年的計算範式嗎？答案是否定的。但有一點可以肯定：一旦商業化產品問世，確實有一批特定問題將從中受益。只不過，這個時間節點目前仍不明朗。
量子技術的發展步伐一直較為緩慢，各種棘手的挑戰使其成為一項極為精密的技術。當前仍需重點攻關的領域包括：實際計算硬體（如量子比特本身）、糾錯機制，以及面向量子可解問題的專用算法。此外，這項技術還需要從研究人員的實驗室走向成熟的商業化應用。
量子計算行業現狀
量子技術目前處於"最大創造力與最大混亂並存"的階段。行業內尚未形成統一的技術路線，不同研究團隊正在同時推進各自的實現方案。大量小型初創公司相繼湧現，各自聚焦量子系統的某一具體方向。
量子經濟發展聯盟（QED-C）正在執行主任塞莉亞·默茨巴赫（Celia Merzbacher）的帶領下，嘗試將各方力量整合起來。目前，QED-C已擁有132家成員單位——對於一個仍在摸索中前行的行業而言，這一數字相當可觀。相比之下，從事量子計算研究的高校與獨立研究機構共36家，聯邦資助的研究中心則有11家。
"2018年，國會通過了《國家量子倡議法案》，要求商務部，具體來說是美國國家標準與技術研究院（NIST），牽頭建立一個利益相關方聯盟，而'利益相關方'這一措辭是刻意保持寬泛的，"默茨巴赫表示，"聯盟的任務是全面審視並識別現有差距——包括技術差距、政府可能需要填補的研究空白、人才缺口、標準空白，以及任何可能阻礙未來量子經濟發展的短板。"
QED-C為制定路線圖、設定預期提供了平台，並在其官網上公開了大量報告（部分路線圖等文件僅對會員開放）。
為什麼需要量子計算
大多數人將量子計算視為"下一個大風口"，而它確實很可能成真。然而，圍繞量子計算的炒作鋪天蓋地，投資熱度居高不下，卻鮮有人認真追問：它究竟能做什麼？
儘管量子計算備受關注，但它只是量子技術三大主要方向之一，另外兩個是量子網路與量子傳感。
量子網路利用疊加態、量子糾纏以及量子態不可克隆的特性，構建出理論上無法被黑客攻破的通信網路。當兩個量子比特處於糾纏態時，其中一個移至另一節點後，任意一方的狀態變化都會即時反映在另一方身上，使通信近乎瞬時完成。最大的挑戰在於如何在長距離和長時間維度上保持糾纏態的穩定性。
量子傳感則在某些特定任務上展現出遠超傳統傳感器的精度，尤其是在重力、磁場以及慣性變化的測量方面，可應用於導航、生物醫學、自然資源勘探及國防領域。
量子計算備受矚目
然而，量子計算並不會因為能夠在某種意義上"並行處理"就自動提升一切任務的效率。速度只是方程式的一部分，功耗同樣不可忽視。就單機而言，量子電腦的功耗理論上低於傳統電腦，但製冷系統是一大難題。
"量子具備實現極低功耗運行的潛力，但問題在於低溫製冷系統本身耗能巨大——你需要一台制冷機把溫度降到1開爾文，"半導體設備與材料國際協會（SEMI）戰略技術顧問普什卡爾·阿普特（Pushkar Apte）表示。
解決功耗問題固然有所幫助，但並不能保證量子計算的全面勝出，因為傳統計算技術本身也在持續進步。二十年前被認為需要量子計算才能解決的問題，如今未必還需要量子。
"即便量子電腦能夠完美求解旅行商問題，相比我們今天已經相當不錯的算法模型，它究竟能好出多少？"默茨巴赫反問道。
有一件事是確定無疑的：肖爾算法（Shor's algorithm）能夠對大數進行因式分解，將徹底動搖現有公鑰加密體系的安全根基。對傳統電腦而言極其困難的問題，在量子電腦面前將變得可解。正因如此，"後量子密碼學"的討論日益頻繁，指的是即便面對量子電腦也能保持安全性的加密算法。
部分業內人士將量子電腦定位為傳統電腦的協處理器，兩者將長期協同發揮價值。
"大約十年前，我和橡樹嶺國家實驗室的一位研究人員聊天，問他對量子技術怎麼看，"默茨巴赫回憶道，"他說：'看起來它最初會扮演高性能計算加速器的角色，就像我們先有CPU，再加入GPU，現在又要加入QPU（量子處理器）。'"
即便有朝一日通用量子電腦得以問世，在此之前，功能更為專一的專用量子系統可能會率先登場。
"關於容錯通用量子電腦，業界討論很多，但在實現這類系統之前，很可能會先出現一批應用專用的平台，整個技術棧專為軍方關注的某類任務、或藥企願意買單的某類問題而設計，"默茨巴赫說。
誰會擁有量子電腦
傳統電腦已經滲透到我們日常生活的方方面面——從智慧型手機中的微型晶片，到台式電腦，再到支撐AI訓練與推理的大型伺服器集群。幾乎人人擁有至少一台終端設備，許多人甚至擁有多台；更多人則通過客戶端設備遠程訪問數據中心的伺服器。
量子計算最終會走向類似的普及路徑嗎？這種可能性極低——單從基礎設施的需求來看（至少在今天），量子計算所需的硬體條件就決定了它無法進入小型手持設備，除非有朝一日實現室溫下的量子運行。
因此，除非製冷裝置這一"攔路虎"被徹底解決，否則量子電腦大概率將長期駐留於某種形式的數據中心。屆時，只有規模最大的企業才可能考慮自建量子計算設施，其他用戶則通過訂閱量子計算服務來獲取相關能力。
"我們不太可能經歷一個每家企業都在某個機房角落裡擺著自己量子電腦的階段，"默茨巴赫說。
如何衡量進展
正如許多工程難題一樣，從"還沒到"到"已經到了"之間，並沒有一個清晰、堅實的分界線，衡量當前所處位置本身就是一件模糊的事。
"評估量子硬體進展時，我喜歡用一個指標：對一組量子比特施加量子門操作後，有多少個量子比特能以高於0.5的保真度實現糾纏，"Synopsys傑出架構師伊戈爾·馬爾科夫（Igor Markov）表示，"量子糾纏是量子算法超越傳統算法的必要條件（但不充分），而量子保真度則反映結果的準確程度。50%的精度算不上高，但低於50%將直接排除某些應用場景，而高於50%有時可以進一步放大。"
馬爾科夫指出了一家領先企業取得的進展，儘管距商業化部署所需的水平仍有差距："IBM近期宣布實現了128個超導量子比特的糾纏，保真度超過0.5，這是當前全球量子計算水平的一個縮影。而在中性原子方向（另一種量子比特技術路線），已有實驗裝載了超過一萬個原子，並能在一定程度上加以控制，同樣令人期待。"
進展可喜，但挑戰猶存。"IBM量子比特的問題在於，它們對溫度和電氣干擾極為敏感，穩定性較差，"阿普特指出。
與此同時，多種量子比特技術路線仍在並行推進。"基於自旋的系統一度備受青睞，因為其製造工藝與半導體晶圓廠高度兼容，英特爾等公司對大規模製造寄予厚望，"默茨巴赫說，"原子和離子方向同樣熱度不減。"
量子與傳統計算的協同
一家初創公司採用了類似儲存器陣列的量子比特排布方式，並在同一晶片上將標準邏輯與量子邏輯融合集成。
"我們的晶片實現了控制電子器件的協同集成，就像標準儲存陣列一樣，有外圍電路負責讀取陣列中的量子比特，晶片工作溫度在500毫開爾文到1開爾文之間，"Quobly公司聯合創始人兼CEO莫德·維內（Maud Vinet）介紹道。
當然，傳統邏輯電路必須能夠在量子計算所需的極低溫環境下正常工作。為此，他們需要一套針對低溫場景的工藝設計套件（PDK）。
"我們在低溫下完成了器件特性表徵，這是PDK中唯一改動的地方，"維內說，"設計人員可以復用大量現有IP，只需針對低溫條件微調器件尺寸即可。"
然而，量化性能表現的統一標準目前仍付之闕如。"目前還沒有類似高性能計算領域中GFLOPS、TFLOPS或PFLOPS這樣的性能基準，"默茨巴赫指出。
量子技術走向實用還需攻克哪些難關
業界普遍認為，量子技術要實現全面量產，仍需大量工程攻關。目前最受關注的工作集中在量子比特的製備上。各類技術路線均需製冷，但並非所有方案都需要超低溫冷卻。室溫量子比特雖已出現曙光，但室溫環境中存在大量熱噪聲及其他干擾，這將是極大的挑戰。
"超導量子比特的工作溫度為0.04開爾文，這一狀況在可預見的未來不太可能改變，"馬爾科夫說，"部分控制電路可在數開爾文下運行，部分可在77開爾文下工作，更高溫度雖可實現，但會導致系統形態變得笨重。"
77開爾文的溫度用液氮就能達到，遠比超導量子比特的製冷條件容易實現，但依然極為寒冷。
"與室溫相比，這已經非常非常冷了，但與超導體所需溫度相比，又算是相當'溫暖'，"維內感嘆道。
"某些技術路線最初在較高溫度下運行，但由於熱噪聲的影響以及對精密量子測量（尤其是單光子探測器）的需求，各大領先機構正逐漸轉向稀釋制冷機，"馬爾科夫指出——稀釋制冷機利用氦同位素之間的性質差異，將內部溫度降至毫開爾文量級。
實現可行且可擴展的硬體平台，需要在量子比特本身及整套配套硬體和基礎設施上協同攻關。初期實現往往只是概念驗證，後續還需大量工作來提升性能與效率。
"必須在三個方向取得突破，"默茨巴赫說，"第一是硬體——製備高質量的量子比特及其互聯；第二是糾錯，這方面已經取得了一些重要進展；第三是算法和軟體。"
可靠性不可或缺
當前大量未竟的工作集中於糾錯領域。目前，物理量子比特與邏輯量子比特之間已形成明確區分：邏輯量子比特通常由多個物理量子比特構成，並包含若干冗餘量子比特用於糾錯，類似於8B/10B編碼——用10位編碼表示8位數據，從而提供一定的糾錯能力。
然而，具體採用何種糾錯碼方案，目前尚無定論。表面碼（Surface Code）目前占主導地位，但擴展性較差，仍有大量工作待完成，行業需要就某一方案形成共識。
另一個需要大規模投入的領域是軟體與算法。軟體不僅是為目標應用服務的，控制迴路及其他基礎設施也都需要相應的軟體支撐。算法研究則有助於識別哪些問題最適合用量子計算解決，以及實現最優解的路徑。
最後，當全部研發工作完成後，還需要有能力進行大規模量產的製造設施。"我認為我們距離建立哪怕十分之一台積電規模的量子代工廠，都還差得很遠，"阿普特說，"量子生產目前仍處於研發規模的自有設施階段，整個量子行業呈現出高度垂直整合的態勢，正如半導體行業七八十年代的狀況。"
量子計算何時能夠落地
即便當前研發工作穩步推進，部分業內人士仍預計量子技術的大規模普及要等到2040年代乃至2050年代，除非出現意外的重大突破（當然，也有一些觀點樂觀十年左右）。這一預期在一定程度上反映了肖爾算法針對256位密鑰實現實際攻擊的預計時間節點。這並非計算技術本身需要那麼久才能成熟，而是需要等待量子電腦強大到足以調用大量量子比特來解決真實世界的問題。有觀點認為，肖爾算法要在噪聲環境下保持魯棒性，可能需要數百萬個量子比特。
目前，研發工作仍在有條不紊地推進。或許某項重大發現能夠加速進程，正如大語言模型徹底改變了AI發展節奏一樣——但這樣的突破本質上是無法預測的。構成完整系統所需各組件的改進，很可能會以點滴積累的方式隨時間推進。創新將不僅作用於各個單一要素，也將體現在如何將它們有機整合，打造出高效的計算資源。
QED-C就何時能推出商業化產品（不一定是能運行肖爾算法的系統）向成員單位進行了調研。"約有一半表示三到五年，約三分之一表示超過五年，"默茨巴赫說，"這表明業內對於時間節點的判斷仍存在相當大的分歧。"
也有人認為進展正在提速。"我和一位成員公司的創始人交流，他本人是量子物理學家，"她補充道，"他說：'如果你兩三年前問我，要多久才能擁有一台有實用價值的量子電腦，我會說十年——也許十五年甚至更久。但現在，就在幾年後的今天，我的答案變成了三到五年。'所以，進展確實在加速。"
塵埃終將落定
就目前而言，量子技術的主要應用焦點集中在密碼學領域——儘快建立量子安全基線，以應對當前"先下載儲存加密數據、等待將來再解密"的潛在風險。其他大多數潛在應用，則仍處於觀望階段。
"哪些是有趣的科學項目，哪些真正有望孵化出能持續創造價值的企業，目前還無從判斷，"默茨巴赫補充道，"有一批出色的物理學家正在全力攻關多種不同的'電晶體'技術路線——超導、光子、原子、離子——但哪種技術路線最終會占據最大份額，目前尚無定論，而且最終的格局也可能並非只有一家獨大。"
但這等待終將是值得的。"在我的直覺判斷中，量子技術在未來影響力排名上僅次於光子技術，"阿普特說。
Q&A
Q1：量子經濟發展聯盟QED-C是什麼機構，主要做什麼？
A：QED-C是根據2018年美國《國家量子倡議法案》授權成立的行業聯盟，由NIST牽頭建立，目前擁有132家成員單位。其核心職能是識別量子技術發展中的各類差距，包括技術、人才、標準等方面，同時發布行業路線圖和公開報告，為量子經濟發展提供方向指引。
Q2：量子電腦為什麼需要極低溫製冷，未來能在室溫下運行嗎？
A：目前主流的超導量子比特需要在約0.04開爾文的極低溫下工作，因為量子比特對溫度和電氣干擾極為敏感，室溫下的熱噪聲會破壞量子態。雖然室溫量子比特已有研究苗頭，但要克服室溫環境中的各類噪聲干擾，仍是極大的技術挑戰，短期內實現室溫運行的可能性較低。
Q3：量子計算商業化大概要等到什麼時候？
A：目前業內對時間節點看法不一。QED-C調查顯示，約一半成員認為商業化產品將在三到五年內出現，約三分之一認為需要五年以上。而對於能運行肖爾算法、真正威脅現有加密體系的強大量子電腦，部分專家預計要到2040年代甚至2050年代才能實現大規模普及。
