量子計算多年來既令人興奮，又備受質疑。支持者將其視為80年來第一種全新的計算架構，而批評者則認為，量子計算面臨的重大技術挑戰將使其在數十年內難以進入主流應用。量子基礎設施軟體公司Q-CTRL正試圖將這場討論從理論層面轉向實用層面。
這家總部分別位於洛杉磯和雪梨的公司本周宣布，在IBM公開可用的硬體上，首次實現了"實用量子優勢"的演示。針對一項涉及先進材料中電子行為的商業材料科學問題，Q-CTRL表示，其性能比最優傳統計算方案高出3000倍，同時保持了可接受的計算精度。
對於首席執行官Michael Biercuk而言，這項公告的意義遠不止於基準測試成績。他相信，量子系統已經跨越了"能夠解決真實世界問題"的門檻，尤其是在化學、材料科學、導航和優化等領域。
"實用的量子電腦已經到來，"Biercuk在波士頓舉行的IBM Think 2026大會接受採訪時表示，"我們讓一台IBM機器在一個人們真正關心的現實問題上，表現優於最佳的傳統計算方案。"
量子優勢的實現
本次演示涉及對強關聯電子材料的模擬，這類問題對傳統超級電腦而言極為棘手。深入理解此類材料，可推動超導性、高能量密度電池化學及先進光伏行為等領域的研究進展。
其中最令人著迷的謎題之一，是高溫超導體的行為——這類材料能在相對較高的溫度下實現無阻力導電，但其背後的物理機制至今仍不明朗。
"我們仍不清楚其中的原因，"Biercuk談及上世紀80年代首次發現的這類材料時說道。
傳統模擬方法之所以面臨巨大的計算壓力，是因為電子相互作用會隨系統規模呈指數級增長。而量子電腦本身遵循與材料相同的量子力學規律，因此在規模化計算相互作用時更具天然優勢。
Biercuk的樂觀態度與"量子計算距離實用尚需多年"的普遍觀點相悖。許多研究人員仍指出一系列持續存在的技術障礙，包括量子資訊基本單元量子比特（qubit）的脆弱性、較高的錯誤率，以及量子硬體對極低溫環境的嚴苛需求。
解決這些問題可能需要數年時間，甚至未必能夠完全解決，但Biercuk認為，軟體今天就可以克服許多最棘手的問題。他以糾錯算法為例進行類比——這類算法能夠補償半導體中因噪聲、干擾或物理缺陷造成的數據錯誤。
Q-CTRL由Biercuk創立，距今已近九年。他擁有哈佛大學物理學博士學位，曾是一名專注於量子控制工程的教授。公司專注於開發旨在穩定和優化量子系統的基礎設施軟體，而非自行研製量子電腦，而是致力於提升現有硬體平台的性能。
讓硬體發揮最大潛能
"核心在於我們疊加在平台之上的基礎設施軟體，"Biercuk說，"軟體能讓硬體真正發揮潛力。"
Q-CTRL的軟體能夠抑制錯誤、優化量子比特的使用，使現有量子硬體能夠執行比以往規模更大、精度更高的計算任務。其軟體流水線可自動完成多項任務，例如為特定算法選擇最優量子比特、減少量子比特之間的干擾，以及將測量誤差降至最低。
公司表示，這些優化措施使其能夠運行涉及超過14000次糾纏操作的算法。在量子糾纏中，粒子共享單一的量子態，一個粒子的行為會即時影響另一個粒子，而正是這種糾纏賦予了量子電腦指數級的處理能力。
Q-CTRL在其他領域也已展現出商業可行性。去年，公司發布了一套不依賴GPS的導航系統，利用量子傳感器和基於軟體的誤差抑制技術，檢測地球磁場的微弱變化，可在GPS信號不可用或遭到干擾時作為備用導航手段。
目前，公司正將重心從驗證精度轉向探索新的科學領域。
"既然我們已經知道精度在最佳替代工具的1%誤差範圍之內，也能夠在特定情境下展示我們已知的物理規律，現在我們就可以去探索未知了，"Biercuk說。
他指出，高能量密度電池材料、光伏系統和化學動力學等領域，都是量子模擬可能加速科學發現的方向。例如，研究人員未來或許能夠在實物合成之前，就對光與特殊材料的相互作用或新化合物的行為進行建模。這將實現新化合物的虛擬發現，把研究周期從數年壓縮至數月，同時大幅降低成本。
量子計算在優化問題上同樣大有可為，包括物流路線規劃、交通調度和軍事車隊規劃等場景。
Q-CTRL的技術已吸引洛克希德·馬丁公司和空客公司等客戶，部分早期商業部署已投入使用。
以軟體彌補硬體不足
與材料科學項目類似，導航系統也在很大程度上依賴軟體來補償硬體缺陷。Biercuk將其視為整個行業的共同主題。"我們用軟體打破了這些壁壘，"他說。
Biercuk並不認為量子電腦會成為取代傳統處理器的通用計算設備。他認為，量子電腦將逐步演變為融入混合工作流的專用加速器，就像如今圖形處理器（GPU）與CPU協同工作一樣。
"有很多事情量子計算並不擅長，"他說，"我們不把它視為通用處理器，就好比你不會在GPU上運行Windows一樣。"關鍵的創新在於高級編程語言的發展，使開發者能夠在量子硬體和傳統硬體上透明地混合調用操作。
"現在操控這些機器的方式，相當於在使用匯編語言，"他說，"你需要自己負責數據搬運、操作選擇、任務調度和錯誤消減。我們相信，抽象化才是關鍵，讓具備通用IT技能的人也能在現有工作環境中充分利用量子電腦。"
Q-CTRL的最新成果有望加劇各界對量子計算商業化進程的討論。出席Think大會的與會者聆聽了IBM首席執行官Arvind Krishna的有力表態，他認為量子計算商用的時機已經成熟。
"那些對此持否定態度的人，把它當成一個尚未解決的科學問題，"他在周二的主題演講中說，"但這已經不再是事實。它今天是一個工程問題。而當一件事從科學走向工程，問題就不再是'能不能實現'了。我們相信，量子優勢將在今年實現。"
Q&A
Q1：Q-CTRL是如何實現量子優勢的？
A：Q-CTRL通過其自研的基礎設施軟體，疊加在IBM公開量子硬體之上，實現了對量子比特的誤差抑制和性能優化。在一項涉及先進材料中電子行為的材料科學問題上，Q-CTRL實現了比最優傳統計算方案高出3000倍的性能表現，同時保持了可接受的計算精度，並成功運行了涉及超過14000次糾纏操作的算法。
Q2：量子計算目前能應用在哪些實際場景？
A：目前量子計算已在多個領域展現出實用價值。在科學研究方面，可用於模擬強關聯電子材料，推動超導性和高能量密度電池等領域的研究；在導航方面，Q-CTRL已推出不依賴GPS的量子傳感導航系統；在工程優化方面，也可應用於物流路線規劃、交通調度等問題。洛克希德·馬丁和空客已成為其早期商業客戶。
Q3：量子電腦會取代傳統電腦嗎？
A：Q-CTRL CEO Biercuk認為，量子電腦不會成為取代傳統處理器的通用計算設備，而是會演變為融入混合工作流的專用加速器，類似於GPU與CPU的協同關係。量子計算擅長處理特定類型的問題，如化學模擬、材料建模和優化問題，但並不適合所有計算任務。未來的關鍵在於開發高級編程語言，讓更多通用IT人員能夠便捷地調用量子計算能力。
