量子科技作为蓄势发力的经济增长点被写入中国未来产业布局，2025年“国际量子科学与技术年”的设立，以及诺贝尔物理学奖对量子领域的表彰，共同标志着该领域已进入产业化的加速期。
量子计算机将成为时序预测、设计新药、破译密码的“超级大脑”，能同时探索迷宫的所有岔路，模拟我们看不见却身在其中的量子世界。
复旦大学物理学系教授、不筹量子创始人李晓鹏，带领团队从事中性原子量子计算的技术路线，利用激光冷却和光镊、光晶格等技术，将单个中性原子囚禁并排列成可控的阵列，构筑稳定、可控且规模可扩展的量子信息处理体系，这正成为最具前景的路径之一。
这项技术不仅追求在特定计算中更低成本的算力、更精密的测量手段，更指向一种根本性的测量与操控范式——在原子尺度上，重新定义计算本身。
01
原理：“平行宇宙”的叠加态
如果说经典比特（cbit）是一枚静止的、非正即反的硬币，那么量子比特（qubit）则更像一枚高速旋转的硬币，它同时处于多种状态的叠加之中，直至被观测的那一刻才坍缩为一个确定结果。量子计算的巨大潜力，源于这种天然的并行性：当数百上千个互相纠缠的量子比特协同演化时，它们便同步探索计算问题中庞大的可能性空间。李晓鹏团队探索的中性原子体系，是实现这一复杂量子态的理想载体，它使得在特定问题上实现指数级加速，目标直指那些让当今最强超算也望而却步的复杂系统模拟。
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如果向一位非专业的人介绍您正在从事的研究，您会用什么生活化的比喻去描述它？
李晓鹏：量子计算其实是比较抽象的一个概念，是一项面向未来的颠覆式计算范式。与经典计算基于确定性状态（如0/1）不同，量子计算可处于多种状态的叠加，如同创造一个并行演化的“平行宇宙”，因而具备天然的并行计算能力。
经典比特可比喻为静止的硬币，非正即反；而量子比特则如同高速旋转的硬币，始终处于正反面的叠加态，直至被测量才会坍缩为确定状态。实际计算中可能涉及成百上千个量子比特，如同大量旋转硬币之间存在着复杂的相互关联。
经典的比特可以理解为一枚硬币，非正即反。而量子比特更像是一枚高速旋转的硬币，始终处于正反叠加态。对它进行测量，就是把它拍到桌子上，变成一个确定的状态。在实际计算过程中可能有成百上千个量子比特。如同1000个高速旋转硬币，之间存在着复杂的相互关联。
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我们的世界从最底层是遵循量子物理规律的，量子计算是在模拟这个世界生成的方式，这是怎样的世界观？
李晓鹏：现在我们认为，自然界本质上就是量子的。量子计算的研究初衷之一，是模拟自然界复杂的现象。自然界现象非常复杂，如果用经典计算机去模拟非常困难，所以必须要借助一台量子计算机来控制，才能实现对自然界最终极的模拟。经典计算机可以模拟相对比较简单的现象，但如果要创造一个跟自然界一样的数字孪生世界，就必须依靠量子计算机。
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基于这种全新的原理，量子计算机擅长解决哪一些相对来说经典计算机无法解决的问题？
李晓鹏：这是大家正在研究的很重要的方向。例如玻色采样，已被严格证明，量子计算机比经典计算机存在指数级的优势。问题的规模越大，它能够产生加速的效果会越显著——不仅是在理论层面，在实验中已经被证实了。前几年很轰动的“量子霸权”实验，正是基于玻色采样。另一个已被证实存在显著加速的就是随机线路采样。但无论是哪种都缺少明确应用价值，有应用价值的问题可能有以下几方面。
一是质因数分解的问题。如果在量子计算机上有效求解的话，就可以破译rsa公钥加密体系，这对国家安全非常重要。原先大家觉得这件事比较遥远，但近几年已经渐渐地具有可行性。
二是量子模拟方面的应用前景，例如，我们要用一台计算机模拟高温超导里面的电子，或者是一个大分子里面一些电子的行为，探求这个大分子的性质，或者得到更高温的超导体。这件事情用经典计算机做是非常困难的，但用量子计算机可以更高效地求解。
在人工智能方面，某些特定的问题已经被证明了可以得到显著加速，但也有许多问题需要解决。
02
突破：前沿的量子态到工程现实
近日，不筹量子完成数千万元人民币的天使轮融资，核心团队主要源自复旦大学中性原子量子计算实验室，平均年龄在30岁左右。他们面对的是将精妙的物理构想转化为稳定产品的挑战：通过量子纠错编码，在物理量子比特之上构建出抗干扰的逻辑量子比特，这是实现可扩展通用计算的基石。年轻的团队正在将实验室中复杂的光学、真空、控制子系统，整合打磨成标准化、模块化的核心组件与整机产品，搭建通往未来算力时代的可靠产线。
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量子计算这个概念很早以前就诞生了，但是你们的研究正在让它从“概念”变成“实机”。这是否是“恰逢其时”的机遇？
李晓鹏：我于2016年回国在复旦大学早期从事量子计算相关算法和模拟研究，当时还不是热门的领域和学科。但是这几年的发展让我们越来越确信，量子计算是这个时代应运而生的一项技术。从量子计算的概念提出至今已经有四十年了，基本的原理几乎无变化，但很多技术有了翻天覆地的发展。
在这次诺贝尔奖颁奖之前，学校、上海市科委、科技部都也敏锐发现了我们团队的工作前景并给予了很好的支持。随后我们在中性原子量子计算领域大干快上，尤其在量子优化算法、量子机器学习、量子模拟等方向已经取得丰富的科学研究成果，正朝着打造有实用价值的量子计算机加快推进。近期，我们实现了铯原子千原子的囚禁、单比特门操控、双比特门操控；在中性原子阵列的研究中发现长程相互作用结合量子涨落可以诱导产生双超固量子相，相关成果已经逼近国际领先水平。
随着芯片工艺的发展，从微米级迈向纳米级，继续向前则必然发展到亚纳米级，这正是量子力学描述的区间。因此，人类信息技术要继续前进，单原子的控制技术就是必须跨越的一道障碍，而量子信息技术正逢其时。当前算力与能源需求也呼唤更高效节能的计算范式，量子计算在原理上正具备这一优势。
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您为什么会考虑从一个教授的身份创办不筹量子公司，公司现在发展的情况如何？接下去的计划如何？
李晓鹏：我们创办不筹量子这家企业，有多个方面的考虑。首先是从科学上“第一性原理”的角度考虑。量子计算需要兼顾科技创新与工程落地。世界范围来看，原子量子计算做得很好的一个团队是哈佛大学mikhail lukin团队，他们通过与quera公司协作，实现了科研与工程的高效结合，这为我们提供了重要参照。
如今，我们已具备软硬件研发能力，所缺的正是技术工程化这部分。因此，创办不筹量子这家企业就不再是“可做可不做”，而是迈向世界顶尖的必由之路。我们要定义好公司的产品、它的发展方向、它的里程碑等。比如我们近期要实现整机定制与量子云服务，并围绕量子计算的关键组件打磨产品，如我们自主研发的物镜与磁光阱技术，可形成一些货架式的产品。
我个人的理想是把量子计算真正推向应用，在我们这一辈人的努力下真有可能做到。在当打之年，能在一项足以改变生活的划时代技术中贡献力量，是我们这一代科研人的幸运。
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量子计算机最初的哪些构想我们已经实现了？从实验室的前沿科学研究，到未来我们依赖量子计算机去提供可靠、精密、强大的服务，最需要攻克的困难是什么？
李晓鹏：量子计算最早的构想中，有很多要素要实现。要实现一个量子计算机的态初始化，要实现高保真度的量子门，要可测量，另外量子非常脆弱，要进行量子纠错才能做到可拓展的通用量子计算。
我觉得最关键的有两步。一是量子纠错，技术上已经可以在实验室演示出来，证明量子纠错码是可以成功的。我们要把量子纠错做好，即使发生错误，也可通过这种方式让它对错误不敏感。这是第一点核心技术。
另外一方面就是量子算法的开发。我们需要开发更好的、解决更多实用价值问题的量子算法以及量子加速。最近一两年，量子计算的发展超出了很多人的预期，大家也就有了更大的信心。一旦找到一个真正有商业价值的突破口，就会形成星星之火、可以燎原的态势，也许就会出现在我们不筹量子的产品和技术里。
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ai的手段可以更精准地控制原子，帮助实现更好的量子计算，可以给我们解释一下是怎么做到的吗？
李晓鹏：我们具体用到的是一种强化学习（reinforcement learning）的手段。这就像是让ai玩一个游戏，目标是更好地控制原子。ai通过强化学习中的奖励与惩罚机制不断进步，比如在将原子装载进光镊的实验中，如果用ai控制参数，装载率越高，ai获得的奖励就越多。通过一轮轮实验的迭代，ai最终能找到优化整个实验流程的有效策略。
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随着玩游戏的深入，量子计算如何反过来帮助ai本身变得更强？
李晓鹏：我个人觉得，ai的发展现在很重要的一个观察是规模化法则（scaling law），即有更多的数据、更复杂的网络就会涌现更高的智能。虽然背后远离还不清楚，但是大量数值的实验、大语言模型的经验和观察印证了scaling law这件事情。
基于这个观察，有理由相信量子赋能ai肯定会带给我们巨大的惊喜。因为量子线路本身足够复杂，也就能够带来更丰富的表示能力，在我看来这就是更高的智能。
03
未来：“指哪打哪”与量子时代的底层逻辑
量子计算机赋能的前景广阔：它将实现新材料的“按需定制”，提升气候科学与金融建模的精准预测，并可能催生真正具有理解与创造能力的下一代ai。这不仅是工具的升级，更是一场对物质、信息乃至智能本身进行设计与编程的底层革命。
李晓鹏描述量子计算的理想形态时称，量子计算发展到极致可做到“指哪打哪”——通过制备和操控量子态，近乎完美地实现指定演化，即使存在不完美，也能通过纠错使之完美达成。
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在当下，量子计算如何和其他领域结合并运用到现实生活中？
李晓鹏：前一段时间上海市公布了上海量子计算十大应用场景，涵盖金融、气象、密码安全、医药及新材料研发等领域。我觉得这些是对未来的应用场景的一个探索。从目前进展看，多个方向均展现出良好前景，但仍需各方持续努力推进。
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想象一下，对10年后的一位普通的市民来说，您的研究会怎样使ta的生活受益？
李晓鹏：其实只要是用到巨大算力的地方，量子计算机就可以提供不一样的选择。以气象预测为例，未来公众或可同时参考经典计算机与量子计算机的预报结果进行选择。如果有超过50%的公众选择量子计算机的结果，那也是量子计算的一种优势。
量子计算应用于复杂时间序列预测，确有它的独到之处。与我们关联较大的地方，如新材料的开发，目前新材料开发依赖实验室反复试错，而未来若能实现按功能精准定制材料，将为生活带来深刻变革。
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人类生活在这个物理世界，就像在走迷宫。通过经典计算只能走一条路。但是通过量子计算，我们是否可以用“上帝视角”俯视这个迷宫？
李晓鹏：走迷宫的说法蛮贴切的。有一个专业的算法领域叫量子游走（quantum walk），它有点像在迷宫里面行走。经典行走是一次只能走迷宫的一条路，而量子行走可以同时走不同的路线。所以它能更好地找到出口。
若迷宫中包含1000个节点（即1000个路口），每个路口需做一次选择，则路径可能性总数高达2的1000次方。经典计算需遍历全部可能性才能判断出口，而量子计算可将复杂度降至1000的多项式，如1000的1次方、1000的平方等，远低于指数规模。这一具体实例清晰体现了量子计算所能实现的指数级加速。
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在量子计算研究的日子里，您有没有哪个瞬间觉得自己是开创者？
李晓鹏：在我看来，科学家更像是创造某种钥匙。我们发展一种关键的技术，打开面向未来的一扇门。历史的发展不是一个人创造的，回看计算机的发展，图灵最早提出了“图灵机”的概念，后续科学家造出电子计算机、推动互联网与人工智能落地。他们虽未能预见今天的世界，但他们还是造一把钥匙，把一扇门打开，让大家看到这扇门之后有美妙的风景。
如今我们建造量子计算机、开发底层算法、推动其走向市场，解决了a、b、c、d的基础问题之后，未来如何被使用、将创造怎样的世界，则需要所有人与市场主体共同参与和塑造。这个新世界不是我们创造出来的，而是它本来就该在那里，它会成长成什么样子，会有自己的生命力。
复旦科创
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校融媒体中心
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周惠仪
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责 编
殷梦昊 雷蕾
上观号作者：复旦大学