2025年计算机行业：量子破界，引领未来

量子计算重塑计算边界，引领未来产业发展

1.指数级加速破解经典计算瓶颈，有望重塑计算发展边界

早在 1981 年，物理学家理查德·费曼指出了经典计算机模拟量子系统的固有局限，并首次提出了量子计算 机的概念。量子计算在产品技术以及产业生态等持续迭代演进，量子计算在基本概念与重点方面逐步达到基本 共识。其中，以 2024 年国际标准化组织/国际电工委员会发布的标准《信息技术量子计算词汇》ISO/IEC4879:2024 为例，其明确量子计算是一种信息处理形式，以量子比特为信息单元，利用量子力学现象（如叠加和纠缠）对 数据执行运算，能够解决经典计算机在计算上不可行或难以处理的问题。从众多权威定义中可以看出，量子计 算重点强调量子比特作为信息单元、利用量子力学现象，以及解决经典计算瓶颈。与经典计算机不同之处在于， 量子计算机利用量子并行性和量子态演化，在特定问题（如大数分解、量子化学模拟）上可实现对经典计算机 的指数级加速，具有重大战略意义和科学价值，正成为全球博弈重要角力场。

（1）量子比特：量子计算的基本单位。量子比特类似经典计算中的比特，用于编码和存储量子信息。与经 典比特只能处在 0 或 1 的确定状态不同，量子比特可以同时处于 0 和 1 的任意叠加态，如布洛赫球表征所示。 如 n 个量子比特可同时处理 2^n 个状态，50 个量子比特的计算能力相当于约 10 万亿个经典比特。

（2）量子力学现象：基于波粒二象性，量子力学呈现出量子叠加、量子纠缠以及量子干涉等现象。量子叠 加是在未测量之前，微观系统可以处于多个线性状态的叠加态，进而带来巨大的并行计算潜力；量子纠缠是在 两个或多个粒子在相互作用后形成一种特殊的关联状态；量子干涉是指通过干涉效应，可以强化正确路径的概 率分布，同时抑制错误的概率。

（3）经典计算瓶颈：摩尔定律极限逼近导致算力困境。随着摩尔定律极限逼近，导致算力供给增长乏力， 数据规模攀升持续挤占有效算力。同时，算力需求的爆发又进一步放大了性能缺口，最终使得经典计算在处理 大规模、高复杂度问题时，效率和成本都难以满足实际需求。

（4）量子计算工作过程：量子态制备、量子态调控以及量子态测量。量子计算过程可概括为“数据输入— 量子态制备—量子态调控—量子态测量—结果输出”。量子态制备是指对输入的经典比特和辅助比特通过相位编 码或振幅编码等量子态编码，获得量子态初态，即量子比特会被初始化到统一的基态（如|0>）。初始态的高精度 是保证计算正确性的基础。量子态调控是指通过酉变换将量子态初态演化到目标态，即通过对量子比特施加各 种量子门操作对系统的量子态实施精确的变换。量子态测量是指选择一组测量基对目标态进行观测，读取计算结果。测量会导致量子态“坍缩”，量子叠加的信息化为经典比特 0 和 1 输出值。

2.逐步迈进技术加速与应用探索阶段，技术实用化与生态构建成为发展重点

理论奠基阶段（1900–1930 年）：从经典认知颠覆到理论框架成型。1900 年，普朗克提出能量量子化假说， 打破了经典物理中能量连续的传统认知，标志着量子理论的诞生。1924 年，德布罗意提出物质波理论，将波粒 二象性推广至所有微观粒子，从根本上重塑了人们对物质本质的理解。1925–1926 年间，海森堡建立矩阵力学， 薛定谔提出波动方程，分别从代数与微分两个数学角度构建了量子力学的形式体系，实现了对量子现象从概念 描述到精确计算的跨越。1927 年，海森堡提出不确定性原理，玻尔阐述互补性原理，二者共同奠定了量子测量 的哲学与物理基础，明确了量子世界中“测不准”与“属性互补”的本质特征，也为后续量子叠加、纠缠等核心 概念提供了理论依据。这一系列奠基性工作不仅构建了描述微观世界的基础理论框架，更彻底改变了人类对现 实本质的认知范式，为量子科技长远发展奠定基础。

算法突破阶段（1940–2000 年）：加速量子特性转化计算优势的探索。1969 年，威斯纳提出“共轭编码”， 首次将量子态用于加密。1981 年，费曼首次提出“量子计算机”构想，指出利用量子系统模拟量子过程具有天 然优势，为量子计算指明了方向。1994 年，肖尔提出大数分解量子算法，证明量子计算机可在多项式时间内破 解经典密码体系。1996 年，格罗弗搜索算法进一步展示量子计算在非结构化数据搜索中的平方级加速能力，拓 宽了其适用边界。1998 年，首个量子算法在 2 量子比特系统上成功运行，验证了“有限硬件即可支撑算法实现” 的可行性，推动研究从纯理论向实验结合转型。至此，量子计算不再仅仅是物理学的抽象推演，而是成为了一 个具有明确应用前景和颠覆性潜力的交叉学科领域，算法理论的突破为后续的硬件竞赛绘制了清晰的路线图。

硬件探索阶段（2000–2020 年）：量子计算从实验室走向工程实践。2001 年，IBM 首次在核磁共振系统上 使用肖尔算法完成整数 15 的分解，虽规模有限，却是量子算法与硬件结合的首次实证。2011 年，D-Wave 推出 首台商用量子退火机，开创了量子计算商业化先河，尽管技术路线存在争议，却极大推动了公众与市场对量子 计算的关注。2016 年，IBM 推出量子云服务平台，显著降低研发门槛，促成全球开发者生态的初步形成。2019 年，谷歌实现“量子优越性”，在其超导处理器上完成一项经典计算机在合理时间内无法完成的任务，标志着量子计算进入软硬件协同发展的新纪元。这一阶段的竞争重心从“理论可行性”转向“工程可实现性”，标志着全 球量子竞赛进入以硬件性能为导向的新阶段，技术路径也开始呈现多元化趋势。

技术加速与应用探索阶段（2020 年至今）：技术实用化与生态构建成为发展重点。2020 年中国“九章”、 2021 年“祖冲之二号”分别在光量子和超导量子体系实现“量子优越性”，展现出中国在多条技术路线上的并行 研发能力。2023 年，IBM 推出千比特级处理器并提出量子—经典混合架构，旨在以经典算力弥补当前量子设备 在纠错与稳定性方面的不足，推动技术向实用过渡。2024 年，“天目 1 号”实现 512 量子比特稳定纠缠，在相干 控制这一关键瓶颈上取得突破，为构建大规模容错量子计算系统奠定基础。2025 年，“祖冲之三号”超导量子计 算原型机在量子纠错领域取得历史性突破，首次跨越“盈亏平衡点”。2025 年诺贝尔物理学奖授予量子电路物理 研究在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化。当前，量子计算正从“演示优越性”走向“解决实用问题”， 其发展逻辑已转变为“应用牵引、软硬协同”，未来竞争将更侧重于技术生态的构建与真实场景的落地能力。

3.超导量子计算技术路径引领，多元技术路径齐头并进

从技术迭代与演进视角来看，量子计算发展主要分为量子优越性、专用量子模拟机、可编程通用量子计算 机三个阶段。当前，量子计算初步实现量子优越性，进入含噪声的中等规模量子（NISQ）时代，并逐步向专用 量子模拟机新阶段演进。

（1）超导量子计算，是利用超导材料在极低温下的宏观量子效应，基于超导电路体系实现的量子计算技术， 核心是利用超导材料在极低温度下的超导特性，构建约瑟夫森结等量子比特，通过控制电路中的量子相干态实 现量子计算。优势在于可扩展性好、门速度快（ns 级）、工艺相对成熟。从关键瓶颈与突破方向来看，超导量子 比特极易受到环境干扰且比特间容易产生串扰，计算错误率较高，纠错难度大，且需要在接近绝对零度的极低 温度环境下运行，大幅增加了设备制造成本和使用限制（制冷系统成本占到整机成本的 70%以上）。此外，材料 缺陷会引发量子比特频率波动，加剧退相干问题。未来需要持续攻关规模扩展中的布线互联以及制造工艺等难 题，提升逻辑门保真度、读取保真度等关键性能指标；结合人工智能算法高精度控制量子比特，研究更高效的 量子纠错编码方案。超导量子计算路线代表机构/企业如 IBM、Google 以及中科院等。

（2）离子阱量子计算，是将带电的离子囚禁在由电磁场构成的“离子阱”中，通过激光冷却将离子降至接 近基态，以离子的内部能级编码量子信息，利用激光脉冲操控离子的量子态及离子间的振动模式实现量子纠缠 与运算。优势在于相干时间长（秒级）、门保真度高（大于 99.9%）等。从关键瓶颈与突破方向来看，离子阱量 子计算具有相干时间长、保真度高、全连接性等优势。但离子阱系统体积大、集成难度高，单比特操控速度较 慢。未来需要进一步提升稳定囚禁并精确操控的离子数量，优化激光控制与集成光学等量子比特测控技术，开 展模块设计等工程领域探索。离子阱量子计算路线代表机构/企业为 Quantinuum,、IonQ、华翊量子以及幺正量 子。

（3）中性原子量子计算，是将不带电的中性原子通过激光光镊阵列囚禁，利用激光激发原子的里德堡态， 借助里德堡原子间的强相互作用实现量子比特的编码、操控与纠缠，原子的内部能级或空间位置可作为量子信 息载体。优势在于高可扩展性、2D/3D 阵列以及相干时间适中。从关键瓶颈与突破方向来看，中性原子量子计 算具有相干时间较长、相互作用可控、良好的扩展性和构型灵活等特点。但也面临原子的量子态稳定性不足以 及难以精确操控大量原子等问题。未来需要进一步实现高并行、高速率、高稳定性的单个原子独立操控，同时 解决量子纠错和大规模扩展问题，构建通往实用化容错量子计算的可行路径。中性原子量子计算路线代表机构/ 企业为 QuEra、Pasqal、AtomCompution 等。

（4）光量子计算，是以光子作为量子比特载体的量子计算技术，通过光子的偏振、路径、时间等自由度编 码量子信息，利用线性光学元件控制量子态，借助光子干涉实现量子逻辑运算。优势在于室温运行、高调控速率、低噪声以及适合分布式互联。从关键瓶颈与突破方向来看，光子间相互作用难以通过工程化手段精准调控， 集成光子线路的设计难度极大；光学元器件的集成化、微型化进展缓慢，材料损耗问题突出；量子门操作难度 高，纠错技术路线尚未完全清晰，初期技术门槛高导致发展路径陡峭。未来需要引入非线性光学材料和模块设 计，优化集成光子芯片制造工艺，以及探索更清晰的纠错技术路线。光量子计算路线代表机构/企业为 Xanadu、 PsiQuantum、中科大以及硅臻科技等。

（5）半导体量子计算，是基于半导体材料构建的量子计算技术，核心是利用半导体中的电子自旋、电子电 荷或核自旋作为量子比特，通过栅极电压、磁场等调控半导体量子点中的量子态，实现量子信息处理。优势在 于半导体量子计算完全兼容传统半导体制造工艺，易于规模化集成，可在低温环境下运行。从关键瓶颈与突破 方向来看，仍然面临量子比特数不足、保真度不高、比特门操作和状态读取不稳定等问题。未来将持续优化半 导体材料的能级结构和芯片工艺，结合人工智能算法动态校准控制参数，提升量子比特的稳定性与相干时间。 半导体量子计算代表机构/企业是英特尔、SQC 等。

（6）拓扑量子计算，是基于拓扑物理学原理的量子计算技术，核心是利用拓扑非平庸的量子态作为量子比 特，拓扑量子态的特性使其对局部扰动具有天然的抗干扰能力，可大幅降低量子计算的容错成本。优势在于内 在容错性、低物理开销、理论优势明显。从关键瓶颈与突破方向来看，目前处于基础研究和关键技术攻关阶段， 未来攻关方向包括马约拉纳零模自由态制备、提升拓扑编织操作精度、克服退相干效应等。拓扑量子计算路线 代表机构/企业如 Microsoft 等。

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