量子计算机五大主流技术路线图

超导量子比特

什么是量子计算机最核心的挑战？

超导路线给出的答案是“在毫开尔文温度下维持足够长的相干时间”。
我在实验室里见过IBM的稀释制冷机，足足有两层楼那么高，工程师戏称为“低温版的太空舱”。IBM于2024年发表的Nature论文显示，在0.1 K环境下，其127量子比特芯片相干时间已达288 µs，这是当前公开的更高记录。

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离子阱路线如何克服“搬动原子”的难题？

超导电路是把信息存在“金属电路线圈”里，而离子阱把信息直接存在单个带电原子自身。
优点：

• 单量子比特保真度高达99.9999%
• 无需芯片加工，天然原子完全一致

难点：

• 必须精确用激光操纵每个离子的空间位置；任何微米级偏差都会跑焦。
  2025年1月，IonQ宣布其32量子比特离子阱处理器已可执行40步深度量子线路，误差累积不到1%，首次让离子阱与超导在可扩展路线上打成平手。

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光量子为什么被称作“室温下的未来”？

光量子计算的更大卖点是可以在普通实验室温度下运行，不必租得起几千万的稀释制冷机。
中国科大潘建伟团队2024年发表在Science的工作显示，用20个模式纯度的光子实现高斯玻色取样——这相当于用光束模拟了超级计算机难以完成的概率分布。
光量子缺点也明显：

• 光子一旦产生就无法储存，相当于“看完就丢”的内存。
• 集成度目前受限于硅基波导损耗，单个芯片只能承载数百个光子器件，而电芯片动辄数十亿晶体管。

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中性原子阵列如何借鉴光镊技术？

“用光抓住原子，就像用镊子夹糖豆。”诺贝尔物理学奖得主Steven Chu的比喻极其形象。
2024年年底，法国初创公司Pasqal的324原子中性阵列在arXiv公开的数据显示：

• 任意两原子间生成纠缠只需6 µs，速度已超离子阱；
• 相干时间接近100 ms，是超导的300倍。
  我的预测：如果能在2026年前实现1000原子阵列的全连接，中性原子将在解决组合优化问题上击败其它路线。

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硅自旋量子比特会复制CMOS神话吗？

“把量子比特塞进和经典晶体管同一条生产线。”Intel的量子硬件总监Jim Clarke说。
硅自旋优点在于工艺兼容：台积电的N7节点即可试产。
缺点也真实存在：

1. 自旋-轨道耦合导致读出困难——要把单电子“声音”从几十万个噪声里捞出来；
2. 相干时间受基底Si/SiGe界面缺陷制约，仅2–9 µs。

Intel 2025路线图透露，计划用“应变硅纳米片”改善界面缺陷，将相干时间提升至100 µs，若成功可让硅自旋实现指数级商业化扩张。

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哪条路线能在2030年前先跑通100万量子比特？

我的答案是超导与中性原子并列。理由：

• 超导拥有成熟微纳加工+芯片级互联；
• 中性原子拥有常温运行+长相干+可重排的超三维优势；
• 量子纠错的表面码在两类硬件上都已验证，且门错误率趋近< 1×10⁻⁴阈值，意味着纠错开销可控。

历史总是押注于工程体系而非纯理论；正如《孙子兵法》所言：“胜兵先胜而后求战”，谁先把错误率降到阈值下，谁就能先到达实用化的关口。