逻辑代码性能和架构。图片来源：arXiv（2026年）

加州理工学院与Oratomic联合研究：量子计算机或将在本十年实现容错

新型错误校正蓝图大幅降低量子位需求，预示量子技术快速落地

加州理工学院与其关联的初创公司Oratomic的最新研究表明，未来的量子计算机可能比以往更接近现实。理论物理学家与实验科学家携手合作，提出了一种降低当今初级量子计算机所困扰错误的新方法。过去认为这些机器需要数百万个量子位（量子位是量子计算机中相当于经典计算机中的 1 和 0 的基本单位）才能正常工作，但最新结果表明，一个完全实现的量子计算机可能仅需 1 万至 2 万个量子位。对量子位需求的降低意味着，理论上量子计算机可能在本十年末投入运行。

团队提出了一种新型量子错误校正架构，其效率显著优于以往方法。量子错误校正是通过引入额外的冗余量子位来纠正错误或故障的过程，从而实现该领域的终极目标——容错量子计算。

该研究利用了基于中性原子构建的量子计算平台的特殊特性，原子在这些平台中充当量子位。其他正在开发的平台包括超导电路和被捕获离子（离子带电，而中性原子则不带电）。在中性原子系统中，称为光学镊子的激光束被用于将原子排列成量子位阵列。加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯（Manuel Endres）及其同事最近制造出了有史以来最大的量子位阵列，包含 6,100 个被捕获的中性原子。

“与其他量子计算平台不同，中性原子量子位可以在较大距离内直接相连，”恩德雷斯说。“光学镊子可以将一个原子转移到阵列的另一端，并直接与另一原子产生纠缠。”

这种动态移动原子的能力是研究人员超高效错误校正方案的关键，他们在一篇新论文中阐述了这一方案，该论文2026年已发布在 arXiv 预印本服务器上。理论结果涉及创新新架构，以大幅降低错误校正的开销。

凯恩博士表示：“我们花了多年时间学习如何利用中性原子计算机这一非凡能力，动态重排量子位。”

“我们的结果现在使得利用中性原子进行有用的量子计算看起来触手可及，量子位数减少了多达两个数量级。”

徐博士补充道：“几十年来，量子位数量被视为容错量子计算的主要障碍。我希望我们的工作能帮助转变这种观念。”

报告强调，团队的发现意味着容错量子计算机可能正处于曙光。此前，量子计算专家认为构建如此精确的机器还需要 10 或 20 年的时间。

普里斯基尔教授说：“我在容错量子计算方面的研究时间比我的部分合著者在世的时间还长。”

“现在我们终于走得更近了。”

黄教授说：“我一直认为关于大型量子算法实用性的理论研究仅在遥远的未来才会有意义。我们的新研究让我意识到它们可能在未来几年内实现。”

重要的是，加速的时间表表明，数字通信的安全性——包括日常金融交易和许多其他形式的私人信息——可能比预期更早受到数据泄露的威胁。如今的计算机通过加密方案（如 RSA（Rivest‑Shamir‑Adleman）和 ECC（椭圆曲线密码学））来保护数据。在这些经典方案中，数据是使用当前计算机难以解决的困难数学问题进行加密的。

由于 1994 年由 MIT 应用数学教授（BS ’81）彼得·舒尔（Peter Shor）开发的算法，量子计算机将有能力破解这两种加密方案。为防止这种情况，全球各组织已在迁移到能够抵御量子计算机攻击的新加密方案。作者强调，向实用量子计算的快速进展凸显了安全及时迁移至这些新密码标准的重要性。

量子计算机基于量子物理定律——这些定律支配着如电子和光子等亚原子粒子的行为。在量子领域，粒子表现出与我们所处的经典世界不同的特性，包括叠加，即粒子可以同时处于两个位置，以及纠缠，即粒子即使被隔离很远后仍保持密切关联。

由于自然在最根本层面上是量子性的，量子计算机被认为具有解开科学谜团的力量，包括量子引力和常温超导，以及化学、医学、可持续发展、机器学习等领域的其他难题。

这些机器核心的量子位同时具有叠加和纠缠状态；然而，这些量子态十分脆弱，容易坍塌。在计算过程中，如果发生坍塌，量子位所存储的信息将被损坏，从而导致错误。

为解决此问题，研究人员提出了类似于经典计算机使用的错误校正方法，即通过冗余量子位来检测错误。然而，量子计算机的错误校正更为棘手：目前最常见的协议往往需要大约 1,000 个物理量子位协同工作，才能构成一个单一的“逻辑”量子位——执行所需计算的量子位。

一台可用的量子计算机总共至少需要 1,000 个逻辑量子位，但如果每个逻辑量子位由 1,000 个物理量子位组成，则整个计算机需要 100 万个量子位。将量子机器扩展到如此大规模将极具挑战性，因此研究人员一直在寻找降低每个逻辑量子位所需物理量子位数量的方法。

新研究说明了如何通过中性原子阵列实现这一目标。在其他错误校正方案中，例如使用所谓的表面码（surface codes），二维排列的量子位仅能与其相邻的量子位相连。而在中性原子阵列中，量子位可以与许多远处的量子位相连，从而实现科学家所说的高速码。在此类协议中，每个物理量子位可以参与多个逻辑量子位，而不仅仅是一个。

新方案意味着每个逻辑量子位仅需约 5 个物理量子位，而非其他技术所需的 1,000 个。

“实际上，这种方法的效果非常惊人。”恩德雷斯说，“这就是我们所说的超高效错误校正。”

虽然这些结果仍属理论，但近年来，中性原子量子系统在实验上取得了快速进展，研究人员已演示了早期的错误校正操作和超过 6,000 个原子量子位的阵列。将这些能力集成到可扩展系统中仍存在重大工程挑战，但新研究表明，中性原子架构最终有望运行足够强大的量子算法，以影响现代加密。

更广泛地说，随着这些系统扩展到数千个逻辑量子位、执行数百万次操作，它们预计将为具有重要科学和经济影响力的广泛应用提供可能。

布鲁夫斯坦博士表示：“使用中性原子实现容错量子计算是一个快速崛起的主题，而且显然存在许多未充分研究的捷径机会。”

“我们在加州理工学院召集了该领域的一些顶尖专家，将所有环节整合在一起。我们提出的——一条清晰的量子计算机建设路线图——比我们预期的更快成形。”

下一步是将恩德雷斯及其团队的更大阵列进一步扩大，同时展示低错误率——这一过程将需要额外的技术进步。

科学家们创立了 Oratomic，布鲁夫斯坦担任首席执行官，目标是打造世界上第一台公用规模容错量子计算机。Oratomic 将与加州理工学院的先进量子计算任务（Advanced Quantum Computing Mission）密切合作，该任务是一项校园跨学科项目，旨在继续研究量子信息处理的基础科学。长期而言，加州理工团队计划在校园内拥有量子“超级计算机”以解决科学问题。

“现在是建造这些机器的时候了。”布鲁夫斯坦说。

勇编撰自论文"Shor's algorithm is possible with as few as 10,000 reconfigurable atomic qubits".arXiv.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。