普适门、能源部路线图与IBM制冷模块：量子计算交付的一周

结果出来的同一个周末，美国能源部发布了一份国家路线图，推动该领域不再数量子比特，转而证明科学实用性。两份文件在档案中的日期都是9月27日，盯的是同一个问题：一台量子计算机在被叫作有用之前，必须做到什么。

据ScienceDaily对芝加哥大学这项工作的报道，团队造出了与S3对称群相关的非阿贝尔任意子。S3对称群就是让等边三角形保持不变的旋转与镜像翻转。他们还在Quantinuum的H2离子阱处理器上纠缠了54个量子比特。光靠编织不够。研究人员把编织与融合结合起来，才凑齐完整的操作集合。论文发表在Nature上。这是技术上的里程碑，不是产品发布，这个区别决定了结果该怎么读。

“我们演示了一套所谓的通用门集合，意思是，如果你把信息存储在这些涌现出来的、类似夸克的版本中，并让它们移动，你就能完成你可能想做的任何量子计算，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）分子工程助理教授、共同作者Ruben Verresen说。

这是个很强的论断，研究人员对它的边界很谨慎。同一团队2024年的实验在Quantinuum硬件上使用D4对称群，证明这些任意子可以被制造和移动。它做不了所有操作。Verresen说得很直白：“我们创造的那个特定宇宙不够强大。”54个量子比特上的S3系统做到了。

为什么魔态问题很重要

纠错正是这条研究路线存在的原因。量子计算机很容易丢信息，所以工程师把一个逻辑量子比特分散到许多物理量子比特上。这能保护数据，但通常给不了你需要的全部操作。为补上缺口，团队要制备所谓的魔态，而制备魔态需要一种叫蒸馏的提纯过程，这个过程可能吃掉机器很大一部分量子比特。

Quantinuum慕尼黑办公室的董事总经理兼科学负责人Henrik Dreyer在同一篇ScienceDaily报道中，把非阿贝尔码说成另一条路线。“非阿贝尔码是量子纠错竞赛中的一匹黑马，”他说。他还补充，这项工作表明“原则上可以在不依赖魔态蒸馏或魔态培养的情况下完成容错计算，而这两者是标准量子纠错码中最昂贵的操作”。

有一点得盯住：这次演示是54个量子比特上的一套门集合，不是一台能跑的容错机器。ScienceDaily称这是该方法能够支持通用操作的首次实验演示。档案里没有任何内容说已经用这种方法在规模上跑过一个逻辑量子比特。

能源部要的是科学实用性，不是量子比特数量

费米实验室9月27日发布了能源部路线图，它对什么才算进步说得很直接。这份报告《SCAC量子委员会报告：通往集成量子未来的道路》由一个小组委员会完成，主席是费米实验室首席技术官Anna Grassellino，副主席是芝加哥大学教授Supratik Guha。费米实验室说，这一过程吸收了国家实验室、学术界、产业界和联邦机构的意见，贡献者达数百人。

路线图设了一个里程碑：到2028年展示一台具有科学相关性、经过纠错的量子计算机。随后它列出三个阶段。第一阶段从2026年到2028年，是一系列有竞争的“量子大挑战”，把国家实验室、大学和产业界配对起来，共同设计硬件、算法和软件。第二阶段计划建设一个能源部量子计算用户设施。报告明确说，它不会是商业性的“黑箱”云服务，而是一个开放仪器，研究人员可以在其中与供应商一起共同开发硬件和软件。第三阶段从2030年起，设想把量子协处理器、模拟器和传感器织入该部门现有的AI和高性能计算网络。

报告还主张技术中立，考虑到眼下有多少种硬件路线在下注，这一点很重要。它列出了目标应用：为药物发现预测分子性质、设计催化剂、模拟聚变相关材料、建模早期宇宙物理。这些是能源部想解决的问题，不是基准分数。

另外两项工程进展，其中一项更早

杜克大学9月26日报道，其研究人员用一台13离子的离子阱量子模拟器重现了弦断裂。弦断裂就是物质的两个相连构件被拉开，直到积累足够能量、冒出新的粒子对。这项工作9月23日发表在Nature Physics上，合作者来自马里兰大学、牛津大学、加州理工学院、康奈尔大学和鲁汶大学。

在杜克量子中心领导这项研究的Christopher Monroe说，对于物质形成的问题，量子模拟是现有最好的平台，“除非你亲眼目睹了大爆炸本身”。第一作者Arinjoy De现在在QuEra Computing工作，他说团队在受控实验室环境中模拟了夸克禁闭和弦断裂现象。

这里有个实在的局限。13个离子的规模，经典计算机仍然可以核对答案，杜克团队正是这么做的：他们的经典计算与量子模拟器的结果一致。他们押注的是，这个问题更大、更复杂的版本最终会超出经典机器的能力。

IBM的贡献更早，日期是8月19日，9月21日出现在档案中。该公司说，它把两个低温模块连接并冷却到同一个环境中。每个模块高超过8英尺、宽超过8英尺，温度低于15毫开尔文，IBM称这比深空冷180多倍。这些模块提供的布线空间是IBM最广泛使用的量子系统的12倍。IBM计划今年晚些时候在其中安装Quantum Nighthawk处理器。目标是2029年的IBM Quantum Starling，IBM预计它将成为世界上第一台容错量子计算机。

IBM Research总监Jay Gambetta称模块连接是迈向把容错机器带入各行业的“一次飞跃”。Starling背后的路线图细节，包括去年宣布的一种纠错码，属于公司说法，不是独立结果。

这一周究竟说明了什么

三家媒体，三种进步。ScienceDaily刊出两项实验结果，一项关于用非阿贝尔任意子实现通用操作，一项关于模拟早期宇宙物理。费米实验室刊出一份将影响美国公共资金投向的政策文件。IBM的新闻室刊出冷却基础设施上的一项工程里程碑，任何大规模机器都需要这样的基础设施。

它们没有一项是完成的量子计算机。任意子的结果需要扩展到54个量子比特以上。杜克的模拟需要增长到经典机器无法核对的规模。IBM的模块还需要芯片和容错架构，而后者要到2029年才交付。能源部2028年实现具有科学相关性、经过纠错机器的目标，正好落在这条时间线的中间，并取决于尚未开始的挑战。

把它们连起来的是，这个领域对什么才算里程碑的看法变了。受保护信息上的通用门集合、可控模拟器上的弦断裂、容纳数百块芯片的布线空间、以解决问题来衡量成功的设施计划。档案中最近的项目不是关于更大的数字，而是关于这些数字能不能做成事。