简而言之
量子计算利用量子比特、叠加、纠缠和干涉，来处理经典计算机难以应对的某些问题[1]。它并不是普通计算机的更快替代品，大多数任务仍以普通计算机为最佳选择[1]。截至2026年11月3日，相关硬件仍处于实验阶段，而NIST已经发布了旨在抵御未来量子攻击的加密标准[5]。
要点
- 一个量子比特可以处于0和1的加权组合状态，而干涉的作用是增强正确答案、抵消错误答案[1]。
- 预计在大多数任务上，经典计算机仍将是最佳解决方案[1]。
- 谷歌的105量子比特Willow芯片在编码网格从3x3扩大到5x5再到7x7时，每一步错误率都降低了一半[2]。
- 迄今为止引人注目的加速都出现在范围很窄的任务上；谷歌表示，随机线路采样没有已知的实际商业用途[2]。
- 2025年的一项估算认为，在给定假设下，用不到100万个含噪声量子比特运行不到一周即可破解RSA-2048[8]。
- NIST于2024年8月13日发布了三项后量子加密标准，并敦促各组织立即着手迁移[5]。
- 英国国家网络安全中心（NCSC）要求各组织在2035年前完成向后量子密码的迁移[7]。
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什么是量子计算？
量子计算是计算机科学与工程的一个领域，它利用量子力学规律处理信息，目标是解决经典计算机无法解决或无法足够快地解决的问题[1]。它使用的不是普通比特，而是量子比特（qubit），即量子信息的基本单位[1]。
按照IBM的概括，有四个概念可以说明它与普通计算的区别[1]：
- 叠加：一个量子比特可以处于0态和1态的组合之中，而不只是其中之一；一组量子比特可以同时表示多种构型的组合[1]。
- 纠缠：量子比特之间可以建立关联，使它们的状态相互关联；测量其中一个，就能得知其他量子比特的某些信息[1]。
- 干涉：各种可能的结果表现得像波一样，可以相互增强或相互抵消。量子算法的设计目的就是让错误答案相互抵消、让正确答案得到放大[1]。
- 退相干：来自测量或环境的扰动会使量子态坍缩为普通状态，因此量子计算机必须尽量减少这种扰动[1]。
截至2026年11月3日，该领域仍处于发展阶段。IBM表示，它于2023年首次展示了“量子实用性”，即在超出经典暴力模拟能力的问题上获得可靠结果[1]。IBM将量子优势定义为比所有已知经典方法更好、更快或更便宜的解决方案，并表示预计将在2026年底前实现首批此类优势[1]。
量子计算机究竟是如何工作的？
一种常见的误解是，量子计算机只是同时尝试所有答案，然后读出最好的那个。测量会使叠加态坍缩为单一结果[1]，因此仅靠这一点只会得到一个随机答案。真正有用的工作来自干涉：算法对计算过程进行编排，使正确结果的概率不断累积、错误结果的概率在测量量子比特之前相互抵消[1]。IBM称干涉是量子计算的引擎[1]。
工程上的难题在于噪声。量子比特非常脆弱，退相干会破坏量子态[1]。研究人员追求的解决办法是量子纠错：将信息编码到由物理量子比特组成的阵列中，使纠错速度快于错误破坏计算的速度[2]。经过良好纠错的一组量子比特，表现得就像一个更可靠的逻辑量子比特[2]。
谷歌的Willow芯片展示了什么？
2024年12月9日，谷歌发布了105量子比特的芯片Willow。谷歌将其编码量子比特网格从3x3扩大到5x5再到7x7，每一步都将错误率降低了一半，这种指数级下降在业内被称为“低于阈值”[2]。这一点很重要，因为结果表明，使用更多量子比特会减少而不是增加错误，并且量子比特阵列的寿命超过了单个物理量子比特；谷歌称这是迄今为止构建的最有说服力的可扩展逻辑量子比特原型[2]。
大型机器的每个逻辑量子比特需要许多物理量子比特。例如，IBM的路线图描述了一个名为Starling、运行200个逻辑量子比特的未来系统[4]，而Willow本身总共只有105个量子比特[2]。
量子计算机能做什么，不能做什么？
量子计算机并不是笔记本电脑、手机或数据中心服务器的通用替代品。IBM表示，在大多数任务上，经典计算机预计仍将是最佳解决方案，量子计算并不适合所有问题，甚至不适合大多数问题[1]。IBM描绘的未来是：经典超级计算机借助量子线路来帮助解决问题[1]。
看起来有前景的问题都具有量子力学能够自然处理的结构。IBM重点提到模拟分子和材料等物理系统，这也是化学和材料科学备受关注的原因[1]。最著名的算法则出现得更早：1994年，彼得·肖尔（Peter Shor）展示了量子计算机如何分解大整数，IBM指出，这有可能破解当时最先进的密码系统[1]。
应如何看待加速类新闻标题？
谷歌表示，Willow在不到5分钟内完成了一项随机线路采样任务，并估计Frontier超级计算机完成同一任务需要10^25年；但谷歌也表示，这一基准测试没有已知的实际商业用途[2]。2025年10月，谷歌报告称，其Quantum Echoes（量子回声）算法在Willow上的运行速度，比在全球最快的超级计算机之一上运行的最佳经典算法快13,000倍，并称之为“首个可验证的量子优势”——之所以可验证，是因为该结果可以在另一台质量相近的量子计算机上重复并交叉核验[3]。其与加州大学伯克利分校合作、针对15个原子和28个原子分子开展的分子应用，属于原理验证实验[3]。每一项说法都只是将一项任务与一种经典方法进行比较，二者都不是通用意义上的加速。
量子计算机会破解当今的加密吗？
目前不会，但这一风险受到了认真对待。规模足够大、可靠性足够高、能够攻击当前公钥密码的机器，被称为密码学相关量子计算机（CRQC）[6]。英国国家网络安全中心（NCSC）表示，大多数传统公钥算法，包括RSA以及ECDH、ECDSA和EdDSA等离散对数方案，都将容易受到这种机器的攻击[6]。对称密码则不同：NCSC表示它不会受到显著影响，密钥长度至少为128位的AES等算法可以继续使用[6]。
这样的机器需要多大规模？
在2025年5月的一篇预印本（并非经过同行评审的论文）中，研究员克雷格·吉德尼（Craig Gidney）估计，一台拥有不到100万个含噪声量子比特的量子计算机可在不到一周内分解2048位RSA密钥；而他在2019年（与埃克罗/Ekerå合作）的估算是2000万个含噪声量子比特运行8小时[8]。该估算假设门错误率为0.1%、纠错周期为1微秒、控制反应时间为10微秒[8]。作为对比，Willow只有105个量子比特[2]。这项估算降低了门槛，但并不意味着这样的机器已经存在。
为什么要在这种机器出现之前就采取行动？
NCSC警告说，攻击者可以在今天收集并存储加密数据，在未来再进行解密[6]。正因如此，NIST于2024年8月13日发布了首批三项最终版后量子标准，并鼓励管理员尽快开始过渡；NIST指出，一些专家预测能够破解密码的量子设备可能在十年内出现[5]。NCSC的时间表要求各组织在2028年前完成排查和规划，在2031年前完成最高优先级的迁移，并在2035年前完成所有系统的迁移[7]。
2026年量子计算发展到了什么程度？
下表将已确认的里程碑与公司路线图分开列出。路线图只是计划，可能会推迟。
IBM于2025年6月10日宣布，计划在2029年前于纽约州波基普西的新数据中心建成大规模容错量子计算机Starling，其设计目标是在200个逻辑量子比特上运行1亿次量子操作；其后继系统Blue Jay据称能够在2,000个逻辑量子比特上执行10亿次操作[4]。谷歌表示，继Quantum Echoes之后，其下一个目标是长寿命逻辑量子比特，即其路线图上的第三个里程碑[3]。
IBM自己于2026年4月更新的科普文章仍将超越所有已知经典方法的量子优势作为一个目标：文章称，只要量子计算界与高性能计算界通力合作，IBM预计将在2026年底前实现首批量子优势[1]。
哪些量子计算说法需要谨慎看待？
这一领域发展迅速，新闻稿可能跑在同行评审证据的前面。一个明显的例子是微软2025年关于Majorana 1的新闻稿，微软称该芯片包含8个拓扑量子比特[9]。随之发表的《自然》论文并未声称实现了拓扑量子比特，而且《自然》编辑团队在同行评审文件中写道，这些结果并不构成器件中存在马约拉纳零模的证据[9]。美国物理学会旗下Physics杂志引述的一位物理学家表示，该论文中没有拓扑量子比特的证据，而新闻稿的说法却不同[9]。
阅读任何公告时，以下问题都会有所帮助：
量子计算有哪些好处和局限？
潜在好处
- 模拟分子、材料和化学反应，可能用于药物研发和半导体研究[1]。
- 新的测量工具；在谷歌的Quantum Echoes实验中，结果与传统核磁共振（NMR）一致，并揭示了NMR通常无法提供的信息[3]。
- 一旦出现大型纠错系统，某些问题的求解速度将远超经典计算机[1][4]。
局限与风险
接下来会发生什么？
有三个时间点值得关注。第一，首批经独立确认的量子优势能否如IBM所预期的那样在2026年底前出现[1]。第二，IBM在2029年前建成容错系统Starling的目标[4]，以及谷歌对长寿命逻辑量子比特的推进[3]。第三，安全迁移的截止日期：NCSC设定的2028年、2031年和2035年里程碑[7]，以及NIST标准的持续采用[5]。
对于初学者，比较平衡的看法是：量子计算是真实的物理学和真实的工程，正在取得稳定、可衡量的进展[2]；但实用的大规模机器尚未出现，人们用计算机做的几乎所有事情仍将由普通计算机完成[1]。
常见错误
以为量子计算机只是快得多的个人电脑
正确做法: IBM表示，预计在大多数任务上经典计算机仍是最佳解决方案；量子计算机针对的是特定类型的问题[1]。
把加速类新闻标题理解为通用优势
正确做法: 要核实任务内容和比较对象。Willow的基准测试没有已知的实际用途[2]，而Quantum Echoes只与一种经典算法作了比较[3]。
只比较量子比特数量而不问错误率
正确做法: 对规模扩展而言，关键在于错误率能否随系统增大而下降——正如Willow在低于阈值时所展示的那样[2]——以及系统能提供多少个逻辑量子比特[4]。
以为加密要么已经被破解，要么永远安全
正确做法: 两者都不对。CRQC尚不存在，但已存储的数据日后可能被解密[6]；各组织应规划向NIST标准的迁移[5][7]。
相信新闻稿胜过相信论文
正确做法: 微软关于Majorana 1的新闻稿所声称的内容多于其《自然》论文，该期刊编辑还附加了一条审慎说明[9]。请寻找经过同行评审的证据。
常见问题
简单来说，什么是量子比特？
量子比特是比特的量子版本。与比特不同，它在被测量之前可以处于0和1的加权组合状态，而且量子比特之间可以纠缠，使它们的状态相互关联[1]。
我能买一台量子计算机或在家里使用吗？
量子计算机目前仍是实验性的研究系统[1]；例如，Willow只有105个量子比特[2]，而IBM计划中的容错机器Starling预计于2029年在数据中心建成[4]。它们不是消费类设备。
量子计算机会破解比特币或我所在银行的加密吗？
当今的机器做不到。如今广泛使用的公钥方法在未来的CRQC面前将不堪一击[6]，2025年的一项估算认为破解RSA-2048需要不到100万个含噪声量子比特[8]。NIST 2024年的标准就是作为替代方案设计的[5]。以上为一般信息，不构成安全或财务建议。
量子实用性和量子优势有什么区别？
IBM用“实用性”指在超出经典暴力模拟能力的问题上获得可靠结果，这一点于2023年首次实现；用“优势”指比所有已知经典方法更好、更快或更便宜的解决方案，IBM预计将在2026年底前实现[1]。
术语表
来源
- What is quantum computing? IBM Think (updated 2 April 2026) · 2025-06-10
- Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip Google (The Keyword blog) · 2024-12-09
- The Quantum Echoes algorithm breakthrough Google (The Keyword blog) · 2025-10-22
- IBM Sets the Course to Build World's First Large-Scale, Fault-Tolerant Quantum Computer at New IBM Quantum Data Center IBM Newsroom · 2025-06-10
- NIST Releases First 3 Finalized Post-Quantum Encryption Standards National Institute of Standards and Technology (NIST) · 2024-08-13
- Next steps in preparing for post-quantum cryptography UK National Cyber Security Centre (NCSC) · 2024-08-14
- Timelines for migration to post-quantum cryptography UK National Cyber Security Centre (NCSC) · 2025-03-20
- How to factor 2048 bit RSA integers with less than a million noisy qubits arXiv preprint (Craig Gidney) · 2025-05-21
- Experts Weigh in on Microsoft's Topological Qubit Claim Physics (American Physical Society) · 2025-03-10
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