三天内的两个量子里程碑：通用门集与 DOE 路线图

两项进展发生在大约 25 小时内。9 月 27 日，ScienceDaily 报道，来自芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院、哈佛大学、石溪大学和 Quantinuum 的团队在 Quantinuum 的 H2 离子阱处理器上，利用非阿贝尔任意子演示了通用门集。同一天，费米实验室发布了美国能源部的国家量子计算路线图。该路线图由科学咨询委员会下属的一个分委员会主导制定。

这两项进展都是关于方向的声明，而非成品机器。前者关乎纠错的路径，后者关乎美国政府打算如何衡量这一路径上的进展。

实际演示了什么

根据 ScienceDaily 的报道，这一经同行评审的结果发表在《自然》杂志上。研究使用了 54 个纠缠量子比特，创建与称为 S3 的对称群相关的任意子。S3 即保持等边三角形不变的旋转和反射。通过结合编织（braiding）和融合（fusion）两种操作，团队获得了通用门集。合著者、芝加哥大学 PME 助理教授 Ruben Verresen 对此进行了描述。

我们演示了所谓的通用门集。这意味着，如果你在这些涌现的夸克版本中存储信息，并移动它们，就可以执行任何你想要的量子计算。

这个措辞很重要。非阿贝尔任意子并非作为独立粒子存在于自然界中。它们是在量子电路内部创建的，通过让许多普通量子比特纠缠成集体态，这种状态表现得像一种拥有自身规则的新粒子。2024 年，一个包括 Verresen 在内的团队使用 Quantinuum 离子阱机器创建了与另一个对称群 D4 相关的任意子。仅编织这些任意子不足以进行通用计算。新工作转向 S3 并添加了融合。

实际的论点就在这里。量子计算机容易出错，因此信息通常分布在许多物理量子比特上。这些纠错码保护数据，但通常不提供在受保护信息上进行通用计算所需的所有操作。工程师用魔法态（magic states）来填补这一差距，这需要昂贵的纯化步骤，称为蒸馏。Quantinuum 慕尼黑办公室的董事总经理兼科学主管 Henrik Dreyer 在 ScienceDaily 的报道中表示，这一结果表明，原则上可以在不进行魔法态蒸馏或培育的情况下实现容错计算。

ScienceDaily 的标题称非阿贝尔任意子为黑马。Dreyer 也使用了同样的短语。应将其视为对这种方法感兴趣的人的定位声明，而非该领域的共识观点。

路线图及其里程碑

DOE 报告《SCAC 量子委员会报告：通往整合量子未来的道路》设定了以里程碑为驱动的目标：在 2028 年前演示一台具有科学相关性的纠错量子计算机。费米实验室表示，该分委员会由费米实验室首席技术官 Anna Grassellino 担任主席，芝加哥大学 PME 的 Supratik Guha 担任副主席。参与过程汇集了国家实验室、学术界、行业和联邦机构，并获得了数百名贡献者的意见。

文件提出了三个阶段。第一阶段从 2026 年到 2028 年，建立具有竞争性的重大挑战（Grand Challenges），将国家实验室、大学和行业围绕特定的科学目标配对。第二阶段将规划和建设 DOE 量子计算用户设施，报告将其描述为开放的科学仪器，而非商业云服务。第三阶段从 2030 年开始，设想将量子协处理器、模拟器和传感器集成到 DOE 现有的 AI 和高性能计算基础设施中。

声明的成功衡量标准是科学效用，而非量子比特数量。报告列出了预测药物发现的分子性质、设计催化剂、模拟聚变相关材料和建模早期宇宙物理作为目标问题。它还承诺对硬件采取技术中立立场。鉴于目前资助的竞争性方法，这一细节值得注意。

底层的硬件

如果没有量子比特周围的制冷和控制电子元件，这两项内容都不会有太大意义。IBM 于 8 月 19 日表示，它已经连接并冷却了两个低温模块到一个单一环境中。这是连接数百个量子芯片的一步。该公司表示，这些模块达到 15 毫开尔文以下，并为其 L-耦合器技术设计，该技术连接单独的量子处理器。IBM 的路线图目标是到 2027 年至少拥有 1000 个可编程量子比特，并在 2029 年实现容错系统 IBM Quantum Starling。

IBM 研究主管 Jay Gambetta 称模块的连接和操作是该方向上的飞跃。这是关于其自身路线图的公司声明，2029 年的目标仍未得到证明。

还有一个不太显眼的问题，即建模位于量子比特旁边的电子元件。Semiconductor Engineering 于 9 月 24 日发布的一篇赞助博客描述了一种工作流，用于在室温下提取紧凑器件模型，然后使用混合神经网络学习 4 开尔文以下的残余低温行为。它引用了 MarketsandMarkets 的数据，称量子计算市场从 2025 年到 2030 年的复合年增长率为 41.8%。这是供应商赞助的材料，市场数据来自单一研究公司，因此对两者都应持通常的谨慎态度。

值得关注什么

• S3 结果是否在其他硬件上复现，以及完整操作实际消耗了多少物理量子比特。
• 谁赢得第一阶段重大挑战，以及 2028 年的目标在与预算接触后是否还能存活。
• IBM Nighthawk 处理器今年晚些时候计划安装到低温模块中。
• 一旦采购开始，DOE 的技术中立语言是否还能保持。

这三条线索尚未交汇。54 个量子比特上的通用门集是一个实验室结果。路线图是一个计划。低温模块是工程。它们之间的差距就是故事，而没有人公布过缩小这一差距的时间表。