1、量子力学颠覆经典计算体系，带来空前加速
量子计算是基于量子力学的独特行为（如叠加、纠缠和量子干扰）的计算模式，基本信息单位为量子比特。据微软，在物理学中量子是所有物理特性的最小离散单元，通常指原子或亚原子粒子（如电子、中微子和光子）的属性。量子比特是量子计算中的基本信息单位，在量子计算中发挥的作用与比特在传统计算中发挥的作用相似，但经典比特是二进制、只能存放 0 或 1 位，但量子比特可以存放所有可能状态的叠加。量子计算所运用的物理特性主要包括：
量子叠加：处于叠加态时，量子粒子是所有可能状态的组合，它们会不断波动，直到被观察和测量；以抛硬币为例，经典比特可以通过正面和反面来度量，而量子比特能够代表硬币的正反面以及正反交替时的每个状态； 量子纠缠：纠缠是量子粒子将其测量结果相互关联的能力，当量子比特相互纠缠时，它们构成一个系统并相互影响，人们可以使用一个量子比特的度量来作出关于其他量子比特的结论，通过在系统中添加和纠缠更多的量子比特，量子计算机可计算指数级的更多信息并解决更复杂的问题；量子干扰：量子干扰是量子比特固有的行为，由于叠加而影响其坍缩方式的可能性，量子计算机旨在尽可能减少干扰，确保提供最准确的结果。
与传统计算相比，量子计算能够带来更强的并行计算能力和更低的能耗。据赛迪智库，量子计算通过量子态的受控演化实现数据的存储计算，可以分为数据输入、初态制备、量子逻辑门操作、量子测算和数据输出等步骤，其中量子逻辑门操作是一个幺正变换，这是一个可以人为控制的量子物理演化过程；经典计算机的运算模式为逐步计算，一次运算只能处理一次计算任务，而量子计算为并行计算，可以同时对 2^n 个数进行数学运算，相当于经典计算重复实施 2^n 次操作；同时，传统芯片的特征尺寸很小（数纳米）时，量子隧穿效应开始显著，电子受到的束缚减小，使得芯片功能降低、能耗提高，将不可逆操作改造为可逆操作才能提高芯片的集成度，量子计算中的幺正变换属于可逆操作，有利于提升芯片的集成度，进而降低信息处理过程中的能耗。
量子计算的运算能力根据量子比特数量指数级增长，在 AI 领域具有较大潜力。在经典计算中，计算能力与晶体管数量成正比例线性关系，而量子计算机中算力将以量子比特的指数级规模增长，据中国计算机学会微信公众号，2012 年“量子优势”（同样的计算任务，量子计算速度高于传统计算）的概念被提出，并在 2019 年由谷歌团队实现了实验验证，2020 年，潘建伟院士团队基于高斯玻色采样模型成功构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”进一步验证了量子优势。量子计算机所能拥有的量子比特数由最初的 2 量子比特增长到了数百量子比特，并正以可观的速度继续增长，这为实现更可靠、更大规模的量子计算，以及挖掘基于量子计算的人工智能应用带来更多可能性。
2、多路径并行推进，超导量子产业化进展领先
全球量子计算的硬件仍处于多种路线并行探索阶段，不同的技术路线基于对量子比特的不同物理实现方式展开。主流路线大致分为两类：一类是基于固态体系的“人造粒子“路线，如超导与硅半导体；另一类是基于原子体系的“天然粒子”路线，如离子阱、光量子与中性原子。各路线在稳定性、可扩展性和保真度等方面权衡取舍明显，目前尚无单一路线占据绝对主导地位。 多线路协同探索正引领量子计算技术向“高稳定性—高保真度—可扩展性”方向演进，共同推动未来量子计算机从实验验证步入商业化应用。从发展进度来看，超导量子凭借高保真度、易扩展性及成熟的制程工艺在产业化道路上保持领先，全球有效授权专利量达 10,888 项，位居首位，发展前景最为稳健；离子阱路线具备很高的保真度，但可扩展性较差，有效授权专利量 3,049 项，整体发展略逊色于超导技术；中性原子路线近年来突破显著，展现出更强的可扩展性，但在提高保真度上仍面临技术挑战，有效授权专利量为 1,313 项，发展进度相对落后于前两者。
3、全球布局，竞逐先机
量子计算已成为全球主要国家之间开展综合国力竞争，维护国家技术主权的关注焦点之一。有鉴于量子计算在算力性能上的颠覆性，量子计算机已经成为全球科技竞争的重要方向之一。截至目前，已有30余个国家开展了以量子计算为重点的量子信息领域规划布局，其中中美在量子计算领域处于第一梯队。
1、海外：科技大厂积极布局量子计算前沿，技术路线各有侧重
谷歌：Willow 芯片是量子计算里程碑，为实用化发展奠定关键基础。2024 年12 月，谷歌宣布推出最新的量子芯片 Willow，拥有 105 个量子比特。其核心价值体现在三方面：技术上，它首次实现随量子比特数量扩展而指数级降低错误率，破解了近 30 年的量子纠错难题，且相干时间较前代提升5 倍、具备实时纠错能力；性能上，在随机电路采样测试中，仅用不到 5 分钟就完成当前最快超算需1025 年才能处理的任务，量子优势显著；行业层面，它明确了超导路线可行性，推动领域从“比特数量竞赛”转向“质量与实用化”发展。尽管距商业应用仍有距离，但已为全球量子计算研究提供了技术范式与清晰路径。
微软：Majorana 1 问世，全球首创、基于拓扑量子架构的量子芯片。其核心在于采用了由砷化铟与铝组成的新型拓扑导体，通过创造全新的物质状态，实现了对马约拉纳零模（Majorana 粒子）的观察与控制，从而形成更稳定、高抗噪声的拓扑量子比特。Majorana1 芯片目前集成 8 个拓扑量子比特，并具备在未来扩展到百万量级量子比特的路线，为商业化量子计算机提供了极强可扩展性和容错能力。它以数字脉冲进行量子比特的测量和控制，极大简化了系统架构，使单芯片部署百万量子比特成为可能，有望在数年内解决传统计算机无法攻克的工业级复杂问题，开启量子计算实用化和跨行业创新发展的新纪元。IBM：推出首台模块化量子计算机，量子开发路线图延至 2033 年。IBM 于 2023 年正式推出了133 量子位的量子处理器——IBM Quantum Heron。该处理器采用全新模块化架构，基于可调谐耦合器，显著优化了量子比特的控制机制，最大限度地降低了噪声和误差率，是迄今为止 IBM 性能最强、误差率最低的量子芯片之一。与 Heron 处理器同步亮相的，还有 IBM 首台模块化量子计算机——IBM 量子系统二号（IBM Quantum System Two）。这款系统整合了可扩展的低温基础设施、模块化量子比特控制电子设备和经典运行时服务器，实现了量子芯片的高效集成与互连。IBM 量子系统二号能够同时配置多个Heron处理器，并为未来的量子计算节点互联和容错演进提供了技术平台，是从原型向大规模、商业级应用演进的关键步骤。依托硬件、理论和软件领域的持续突破，IBM 将其量子开发路线图延长至2033 年。
2、国内：硬件多点突破、软件工具补全、产业协同推进
当前，国内量子计算发展呈现“硬件多点突破、软件工具补全、产业协同推进”的良好态势，近期更在硬件、软件与生态应用层面接连取得关键突破。硬件领域，中国科大成功研制105 比特“祖冲之三号”超导量子计算机，上海团队则借助 AI 技术，高效制备出含 2024 个中性原子的无缺陷阵列，为大规模量子计算筑牢基础；软件层面，首款国产量子计算桌面软件“东南・云霄”正式发布，重点攻克数据安全与硬件兼容性难题；产业生态方面，“上海量子人工智能联合体”成立并发布十大应用场景，持续推动量子计算与人工智能等前沿领域的融合落地，加速该领域从技术突破向生态构建转型。这些进展表明，我国量子计算正从前沿基础研究阶段，快速向技术应用与产业生态建设阶段迈进。中科院成功构建 105 比特“祖冲之三号”超导量子计算机。2025 年 3 月，中科大潘建伟团队联合科研院所构建 105 比特超导量子原型机“祖冲之三号”，其“量子随机线路采样”速度比最快超算快15 个数量级、超谷歌 2024 年成果 6 个数量级，刷新超导体系量子优越性纪录。该系统相干时间72 微秒，单/两比特门保真度达 99.90%/99.62%，获《物理评论快报》盛赞，既验证我国量子计算领先地位，也为后续技术突破奠定基础。
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