在纽约州约克敦高地的IBM实验室里，物理学家杰伊·甘贝塔这样解释微波如何驱动量子芯片完成运算：“可以把每个量子比特想象成乐谱里的一个音符，我们就是在创作旋律。”图片来源：Guerin Blask for Forbes
投资者正纷纷向量子技术初创企业砸下重金。或许，他们应该把目光投向一家资历深厚、拥有丰富创造经验的企业。
半个世纪前，纽约州波基普西市的一家工厂马力全开，源源不断地生产计算机硬件。正是大型机业务带来的利润，让员工获得了优厚的待遇、为科研项目提供了资金支持，更让国际商业机器公司（IBM）凭借丰厚的股息，成为全球市值最高的企业。
如今，IBM规模已不比当年，收入主力也成了软件业务：计算机程序和商业服务。但该公司正全力研发一种新型机器，有望让波基普西重现往日辉煌——这里将成为其量子计算机的组装地。这种神奇的设备，专门用于攻克那些普通计算机难以应对的数学难题。
若量子技术能兑现其潜力，将有助工程师们在药物、疫苗、电池和化工产品的设计上实现跨越式发展。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营收将达到900亿至1700亿美元。
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本世纪伊始，IBM便投身于这项飞速发展的技术研究。
主导这项工作的是46岁的澳大利亚物理学家杰伊·甘贝塔（Jay Gambetta），他管理着分布在六大洲的3000名研究人员。他绝不会在量子技术研究上吝于投入，毕竟这是他整个职业生涯都在不懈探索的领域。
2011年，甘贝塔在耶鲁大学完成博士后研究，进入滑铁卢大学任教，后加入波基普西工厂以南39英里处的IBM沃森研究中心（Watson Research Center）。他说：“虽然我很喜欢教学，但真正想做的还是实际的研发。”
量子比特是量子计算机存储信息的基本单元，其构建方式多种多样，任何一种都可能在研发实用量子计算机的竞赛中脱颖而出。
光子具有量子化特性——这一发现为阿尔伯特·爱因斯坦赢得了诺贝尔奖，也成为了部分实验性量子计算机的量子比特构建基础。离子（带电原子）也可作为量子系统的基础。此外还有一种思路，就是利用沉积在硅片上的微型超导线路中流动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，便和同事们决定押注第三种方案，放弃了光子学、离子阱及其他研究方向。
超导方案需要将芯片冷却到仅比绝对零度高1/70度的温度，这是超导体正常工作、同时保护精密的电子运动免受热噪声干扰的必要条件。芯片的运算元件被称为“transmon”，由微波脉冲控制，而其运行指令则来自旁边的传统计算机。
采用这种方案还有几点好处：这种极低的温度可以通过市售设备实现，芯片制造则是IBM的核心强项，而微波技术（与手机使用的微波技术十分相似）对电气工程师来说更是驾轻就熟。“我们无需从零开始发明技术，”甘贝塔说，“我们凭借有着50年积淀的雷达和微波技术，生成了精准、纯净的微波‘音符’来进行量子运算。”
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除了IBM和其他几家研究量子计算的大型企业外，众多初创公司也纷纷宣称取得技术突破、描绘宏伟蓝图。但要真正产生巨大的商业价值，它们都还有很多工作要做。
尽管如此，这些公司依然受到投资者的热烈追捧。
新泽西州霍博肯市的一家公司就是热门标的之一。该公司最初从事喷墨墨盒销售业务，碰壁后转向饮料分销，最终也以失败告终。随后它更名为“量子计算”（Quantum Computing），开始销售光子学相关产品。其官网写道：“我们的愿景：让十亿人用上量子技术。”该公司近期的市销率竟达到了9500倍。
愿景终究是愿景，能造出能实际运行的机器才是王道。IBM在波基普西工厂、研究实验室以及欧洲和亚洲地区都部署了可运行的量子计算机。莫德纳（Moderna）、克利夫兰医学中心、橡树岭国家实验室等众多机构的科学家，都在利用这些机器运行测试程序，以期在速度更快、规模更大、容错能力更强的量子计算机问世时，能拿出适配的算法。
除了IBM，谷歌也选择了transmon技术路线。会不会有完全不同的技术方案最终胜出？甘贝塔认为这种可能性不大，但仍对此保持关注。他特意从采用其他技术的竞争对手那里挖来了工程师，目的就是请他们挑出IBM技术方案中存在的缺陷。
部分竞争对手在小规模实验环境中公布了令人瞩目的成果，但要将技术拓展到大型机器，量子元件和控制电路的制造就要达到更高的精度要求。甘贝塔反问：“你们有技术规模化的计划吗？有能力建设配备完善封装工艺的晶圆厂吗？”
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此外，量子比特还存在易出错的问题。随着计算程序日趋复杂、涉及的量子比特数量增多，错误可能会不断累积，最终导致计算结果失去意义。
研究人员正在研究各种纠错方法，例如利用冗余量子比特来相互校准。但这又会增加系统的复杂性，带来更多故障风险。
谷歌宣称已研发出一套性能大幅提升的纠错系统，而IBM也在科学期刊上公布了自己的纠错解决方案。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。”
量子计算的原理源自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不变，而是在被观测时，有一定概率出现在此处，也有一定概率出现在彼处。上帝还是在掷骰子的。
其二是另一种反直觉的现象：两个不同物体可以相互“纠缠”，即便它们相隔很远。测量其中一个物体的状态，也会影响另一个物体的状态。这一现象曾让爱因斯坦感到不安，他称之为“鬼魅般的超距作用”。
这种纠缠现象并非只发生在亚原子尺度。
今年的诺贝尔物理学奖，就授予了证明纠缠现象可在肉眼可见距离上发生的科学家。基于这一发现，IBM的工程师们正不断突破微波技术的应用边界。他们正以模块化方式扩大量子计算机的规模，最终计划将多个装有超冷超导芯片的机柜通过线路连接起来（机柜间相距数英尺），使一个机柜中的量子比特与另一个机柜中的量子比特产生纠缠。爱因斯坦若看到这一幕，想必会瞠目结舌。
传统计算机的运算遵循确定性规则，0会按照精确的规则变为1。而量子计算机的运算则带有模糊性：向量子比特发送脉冲信号，会使其状态向某一方向偏移。如果这些脉冲（被称为“量子门”）的排列设计巧妙，且能同时作用于纠缠的量子比特，就会逐步将每个量子比特的可能值推向0或1，最终让这些量子比特共同给出问题的可能解。这一过程十分复杂，需要多次脉冲循环，且超导芯片还需频繁向传统计算机“请教”下一步的运算指令。
以先锋领航为例，该公司需维护其规模达440亿美元的免税债券交易型开放式指数基金（Tax-Exempt Bond ETF）。可供选择的债券至少有6.3万种，公司要从中挑选9800种，力求在获得可观收益的同时，将风险降至最低。比如，同时向芝加哥和伊利诺伊州投资就存在一定风险，因为两地都面临因工会要求增加养老金而陷入财务困境的可能。此外，还有诸多限制条件需要满足（如将平均到期期限控制在特定范围内），这一任务便成为了一道数学难题。
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目前，尚无法找到这个问题的最优解。先锋领航只能尽力而为，依靠传统计算机得出一个尚可接受的答案，这一过程需要数分钟时间，涉及数百万亿次运算。
量子计算为获得更优解提供了可能。在近期的一项实验中，IBM与先锋领航集团合作，探索如何从109种证券中做出最优选择。若在先锋领航的传统计算机上逐一尝试所有组合，所需时间甚至比宇宙年龄还要久，这显然很不现实。
而量子计算机无需按顺序逐一验证每种组合。实际上，它能同时处理所有可能性，通过那些微波“音符”逐步运算逼近最优解。在经过4200次量子门操作后，量子计算机摸索出了答案。
要想为先锋领航这样的客户提供实用的服务，IBM还有很长的路要走。
该公司的构想是，2029年在波基普西打造出一台房间大小、具备容错能力模块化量子计算机，能运行1亿次量子门操作。甘贝塔表示，在此之前，规模较小的量子计算机将与传统计算机协同工作，在投资组合优化等实际任务中，展现出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。
人们很容易将IBM视为一家保守老派的企业，认为它擅长为银行和航空公司提供可靠的服务，却难以在前沿领域击败灵活的初创公司。不过需要注意的是，IBM百年来的管理层大多是销售人员出身，而如今的首席执行官阿尔温德·克里希纳（Arvind Krishna）则是一位拥有电气工程博士学位的技术专家，他也曾担任过甘贝塔目前的职位。
那家霍博肯的光子学量子技术公司，会不会超越专注于transmon的IBM呢？一切皆有可能。当然，它也有可能重操旧业，继续卖汽水。
本文作者为福布斯资深撰稿人，文章内容仅代表作者本人观点。
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》
本文来自微信公众号 “福布斯”（ID：forbes_china），作者：William Baldwin；翻译：Lemin，36氪经授权发布。
