IBM量子计算竞赛：传统巨头的创新征程

在纽约州约克敦高地的IBM实验室内，物理学家杰伊·甘贝塔生动地比喻微波驱动量子芯片的运作：“将每个量子比特视作乐谱中的音符，我们正在谱写量子计算的旋律。”此图片由Guerin Blask为福布斯拍摄。

投资者正将大量资金投入量子技术初创企业。然而，他们或许应考虑一家经验丰富、拥有悠久创新历史的企业。

五十年前，纽约州波基普西市的一家工厂全力运转，生产计算机硬件。大型机业务带来的利润不仅为员工提供了优厚福利、资助了科研项目，还使国际商业机器公司（IBM）通过丰厚股息成为全球市值最高的公司。

如今，IBM的规模虽不如前，主要收入来源已转向软件业务：计算机程序和商业服务。但公司正致力于开发一种新型机器，有望让波基普西重振雄风——这里将成为其量子计算机的组装基地。这种革命性设备专注于解决传统计算机难以处理的数学难题。

如果量子技术能实现其潜力，将助力工程师在药物、疫苗、电池和化工产品设计上取得突破性进展。波士顿咨询集团去年预测，到2040年，量子硬件和软件供应商的年收入可能达到900亿至1700亿美元。

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自本世纪初，IBM就投身于这项快速发展的技术研究。

领导这项工作的是46岁的澳大利亚物理学家杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta），他管理着遍布六大洲的3000名研究人员。他在量子技术研究上投入巨大，因为这正是他职业生涯持续探索的领域。

2011年，甘贝塔在耶鲁大学完成博士后研究后，于滑铁卢大学任教，随后加入位于波基普西工厂以南39英里处的IBM沃森研究中心（Watson Research Center）。他坦言：“我热爱教学，但更渴望参与实际研发工作。”

量子比特作为量子计算机存储信息的基本单元，其构建方式多样，任何一种都可能在未来实用量子计算机的竞争中胜出。

光子具有量子特性——这一发现为阿尔伯特·爱因斯坦赢得了诺贝尔奖，并成为部分实验性量子计算机的基础。离子（带电原子）也可用作量子系统构建块。另一种方法则是利用沉积在硅片上的微型超导线路中的电流来构建量子比特。甘贝塔加入沃森研究中心后不到三年，便与团队决定专注于第三种方案，放弃了光子学、离子阱等其他研究方向。

超导方案要求将芯片冷却到仅比绝对零度高1/70的温度，以确保超导体正常工作并保护精密电子运动免受热噪声干扰。芯片的运算元件称为“transmon”，由微波脉冲控制，运行指令来自相邻的传统计算机。

选择该方案有多重优势：极低温度可通过市售设备实现，芯片制造是IBM的核心竞争力，而微波技术（与手机技术相似）对电气工程师而言驾轻就熟。“我们无需从头发明技术，”甘贝塔解释，“凭借50年的雷达和微波技术积累，我们能生成精准、纯净的微波‘音符’进行量子运算。”

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除IBM和其他几家大型企业外，众多初创公司也宣称取得技术突破并描绘宏伟蓝图。但要实现重大商业价值，它们仍面临诸多挑战。

尽管如此，这些公司依然吸引着投资者的狂热关注。

新泽西州霍博肯市的一家公司便是热门投资对象之一。该公司最初销售喷墨墨盒，失利后转向饮料分销，最终也告失败。随后更名为“量子计算”（Quantum Computing），开始销售光子学相关产品。其官网宣称：“愿景：让十亿人使用量子技术。”该公司近期市销率高达9500倍。

愿景固然重要，但制造出实际可运行的机器才是关键。IBM在波基普西工厂、研究实验室及欧洲和亚洲地区部署了可操作的量子计算机。莫德纳（Moderna）、克利夫兰医学中心、橡树岭国家实验室等机构的科学家正利用这些机器测试程序，为未来更快、更大、容错能力更强的量子计算机开发适配算法。

除IBM外，谷歌也选择了transmon技术路线。是否有其他技术方案最终胜出？甘贝塔认为可能性不大，但仍保持关注。他特意从采用不同技术的竞争对手那里招募工程师，以找出IBM技术方案中的潜在缺陷。

部分竞争对手在小规模实验中展示了显著成果，但要将技术扩展到大型机器，量子元件和控制电路的制造需达到更高精度。甘贝塔反问：“你们有技术规模化的计划吗？有能力建设配备先进封装工艺的晶圆厂吗？”

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此外，量子比特存在易出错的问题。随着计算程序变复杂、量子比特数量增加，错误可能累积，最终使计算结果失效。

研究人员正探索各种纠错方法，如利用冗余量子比特进行相互校准。但这会增加系统复杂性，带来更多故障风险。

谷歌声称已开发出性能大幅提升的纠错系统，而IBM也在科学期刊上公布了纠错方案。甘贝塔表示：“我认为我们拥有最透明的规模化纠错技术路线图。”

量子计算原理源于一个世纪前发现的两个奇特自然现象。其一是在微观层面，物体的位置和属性并非确定，而是在观测时以一定概率出现。上帝似乎仍在掷骰子。

其二是另一种反直觉现象：两个物体可以“纠缠”，即使相隔遥远。测量一个物体的状态会影响另一个。爱因斯坦曾对此感到不安，称之为“鬼魅般的超距作用”。

纠缠现象不仅限于亚原子尺度。

今年诺贝尔物理学奖授予了证明纠缠可在肉眼可见距离发生的科学家。基于此，IBM工程师正扩展微波技术应用边界。他们以模块化方式扩大量子计算机规模，计划将多个装有超冷超导芯片的机柜连接（机柜间距数英尺），使一个机柜中的量子比特与另一个产生纠缠。爱因斯坦若见此，定会震惊。

传统计算机运算遵循确定性规则，0按精确规则变为1。而量子计算机运算带模糊性：向量子比特发送脉冲信号会使其状态偏移。如果这些脉冲（称为“量子门”）设计巧妙并同时作用于纠缠量子比特，就能逐步将每个量子比特的可能值推向0或1，最终共同给出问题可能解。此过程复杂，需多次脉冲循环，且超导芯片频繁向传统计算机“咨询”下一步指令。

以先锋领航为例，该公司管理着440亿美元的免税债券交易型开放式指数基金（Tax-Exempt Bond ETF）。从至少6.3万种债券中选择9800种，旨在实现收益最大化同时风险最小化。例如，同时投资芝加哥和伊利诺伊州或有风险，因两地都可能因工会养老金要求面临财务压力。此外，还需满足诸多限制条件（如控制平均到期期限），这构成了一个数学难题。

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目前，该问题尚无最优解。先锋领航只能依赖传统计算机在几分钟内通过数百万亿次运算得出一个可接受答案。

量子计算提供了获得更优解的可能。在近期实验中，IBM与先锋领航集团合作探索从109种证券中做出最优选择。若用传统计算机逐一尝试所有组合，所需时间甚至超过宇宙年龄，显然不切实际。

量子计算机无需顺序验证每种组合。实际上，它能同时处理所有可能性，通过微波“音符”逐步运算逼近最优解。经过4200次量子门操作后，量子计算机找到了答案。

要为先锋领航等客户提供实用服务，IBM仍有长路要走。

公司计划于2029年在波基普西打造一台房间大小、具备容错能力的模块化量子计算机，能运行1亿次量子门操作。甘贝塔指出，在此之前，较小规模量子计算机将与传统计算机协同，在投资组合优化等任务中展现超越纯传统计算机的性能。目前，IBM已获得价值10亿美元的量子服务订单承诺。

人们常视IBM为保守老派企业，擅长为银行和航空公司提供可靠服务，却难在前沿领域击败灵活初创公司。但值得注意的是，IBM百年管理层多由销售人员组成，而现任首席执行官阿尔温德·克里希纳（Arvind Krishna）是拥有电气工程博士学位的技术专家，他曾担任甘贝塔现职。

那家霍博肯的光子学量子技术公司，会否超越专注于transmon的IBM？一切皆有可能。当然，它也可能重拾旧业，继续销售汽水。

本文作者为福布斯资深撰稿人，观点仅代表作者本人。

本文译自：https://www.forbes.com/sites/baldwin/2025/11/25/inside-ibms-quest-to-win-the-quantum-computer-race/

原文标题：《探秘IBM的量子计算机竞赛胜出之路》