2025 年成為量子科技的一個轉折點,標誌著該領域從充滿承諾的實驗過渡到更清晰的實際影響。這一年在硬件、軟件、通信和政策方面均取得了顯著進展。與其說是一項重大的突破,不如說 2025 年的特徵在於穩定的協調進展,使量子科技的未來感覺不再是投機,而是不可避免。其中一個重要的主題是量子硬件的成熟。量子位數量不斷增加,但更重要的是,錯誤率下降,系統穩定性提高。企業和研究實驗室將重點放在錯誤緩解、更好的控制電子設備和可擴展架構上,而不僅僅是追求原始的量子位數量。多種方法——超導、困住離子、光子和中性原子——展示了可行的前進路徑,進一步強調該領域正在尋找解決方案而非死胡同。
美國南加州大學的研究人員將一種經常被忽視的粒子用於儲存和處理量子信息,以克服量子計算機的脆弱性,並使其在不久的將來更具普遍性。將這種粒子放置在量子計算機中可以幫助克服量子計算中的錯誤。研究人員通過將量子信息編碼到稱為任意子(anyons)的奇異粒子的幾何特性中,來確保量子信息的安全。任意子被預測存在於二維空間中,並被認為比其他量子位更能抵抗噪聲和干擾,而 Ising 任意子在這些量子系統的發展中扮演了重要角色。
倫敦的量子計算初創公司 Quantum Motion 發佈了業界首台使用標準矽芯片建造的全堆棧量子計算機,部署於英國國家量子計算中心(NQCC)。這被報導為首台使用標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)芯片製造工藝建造的量子計算機,這種晶體管技術也用於傳統計算機。這一方法的關鍵在於建造可在非常低的溫度下運作的低溫電子學,這使得量子處理器的擴展成為可能。
D-Wave Quantum Inc. 是一家位於加州的初創公司,專注於商業應用的量子計算,利用其 D-Wave Advantage 2 原型退火量子計算機解決了一個實際有用的問題。該公司在一份高度知名的科學期刊上發表了經過同行評審的論文,確認了其成就。根據摩爾定律,微芯片的計算能力和效率每兩年翻一番。自計算機誕生以來,儘管其規模不斷縮小,但我們已經目睹了其能力的巨大變化,科學家們仍在努力建造更大更好的計算機來進行 Exascale 計算,幫助解決氣候變化和藥物發現等問題。
研究人員成功使用量子算法解決了一個複雜的百年數學問題,這個問題長久以來被認為是連最強大的傳統超級計算機都無法解決的。這一成就直接應用於粒子物理學、材料科學和數據傳輸等領域。研究人員在一項新研究中表示:“是否存在一個計算問題擁有高效的量子算法,但沒有高效的隨機算法?量子計算的驅動力正是基於答案是肯定的。”這項工作由洛斯阿拉莫斯國家實驗室的馬丁·拉羅卡和IBM的研究員弗伊捷赫·哈夫利切克進行,並在《物理評論快報》上發表,證明量子計算機可以“對群表示進行因式分解”,這是幾個科學學科的基礎任務。
一項新研究揭示了文森特·梵高的名畫《星夜》與量子物理之間的全新聯繫,證明了著名美國作家艾薩克·阿西莫夫的名言“科學有藝術,藝術也在科學中”的真實性。研究的主要焦點是凱爾文-亥姆霍茲不穩定性(KHI),這是一種在日常生活中觀察到的現象,當兩種流體以不同速度滑過時,會在雲、河流或海洋表面上形成波浪和漩渦。迄今為止,沒有人在量子流體中實際看到 KHI。然而,目前的研究作者不僅首次捕捉到了它,還發現了被稱為偏心分數斯凱爾米昂(EFS)的新型新月形漩渦,與梵高的《星夜》中發光的月亮有著驚人的相似之處。
來自芝浦工業大學、早稻田大學和富士通的研究人員開發了一種新方法,利用量子計算使機器人平穩高效地運動。通常,當機器人移動時,其計算機必須計算每個關節應該如何彎曲,以便其手或腳最終到達正確的位置。這個過程稱為逆運動學,對於人形機器人來說極其困難,因為有無數種可能的組合。該團隊的新方法使用量子位表示機器人每個部件的位置和方向。更重要的是,他們利用量子糾纏——一種量子力學中的特殊特性,即粒子之間的聯繫,使得一個粒子的運動影響另一個粒子。
麻省理工學院的研究人員開發了兩種新的控制技術,使其能夠使用一種稱為 fluxonium 的超導量子位實現 99.998% 的世界紀錄單量子位保真度。這一突破標誌著實用量子計算實現的重要一步。量子位是量子計算機的基礎單元,對噪聲和控制缺陷高度敏感,這會引入運算錯誤,最終限制量子算法的複雜性和持續時間。研究人員開發了兩種技術:“相應脈衝”和“圓極化微波”,有效消除了這些錯誤。團隊的做法是在特定時間施加脈衝,使得反向旋轉錯誤保持一致且可修正,並利用一種合成的圓極化光來控制量子位的狀態,進一步提高了保真度。
2025 年是一個戰略整合和全球競爭的年份。儘管挑戰仍然存在,特別是在可擴展性和成本方面,但在這一年所取得的動力明確顯示出,量子科技已經進入了一個更為嚴肅和持久的創新階段,為未來幾年更大的突破奠定了基礎。