什么是量子计算？面向新加坡科技爱好者的友好介绍

什么是量子计算？为什么它对你很重要？简单来说，量子计算是一种革命性的信息处理方法，它利用了量子力学的定律。与使用“比特”（0 或 1 的值）进行所有计算的传统计算机不同，量子计算机使用量子比特，也称为量子位。这些量子位可以同时处于 0、1 或两者状态——这种令人叹为观止的特性被称为叠加态。量子粒子之间还可以相互纠缠，这意味着两个量子位可以神秘地联系在一起，无论它们相距多远，都能协同工作。最终，量子计算机可以同时考虑多种可能性，从而有可能解决任何经典计算机都无法处理的复杂问题。这篇通俗易懂的指南将揭开量子计算的神秘面纱，并重点阐述它对消费者和企业的重要性，尤其是在新加坡这个科技氛围浓厚的社区。作为一家具有科技意识的品牌， Esmond Service Centre相信应该用知识赋能我们的社区——毕竟，了解量子计算等新兴技术是我们在数字时代面向未来的关键。

量子计算究竟是什么？

量子计算常被誉为计算领域的下一个前沿，因为它从根本上改变了计算的方式。为了更好地理解它，我们可以将其与我们日常使用的经典计算机进行比较。经典计算机以二进制位（0 或 1）处理信息。相比之下，量子计算机使用量子比特，由于叠加态，量子比特可以同时处于多种状态（0、1 或它们的组合）。想象一下，量子比特就像一枚旋转的硬币，在你观察它之前，它既不是正面也不是反面，而是介于两者之间的某种状态。这使得量子计算机能够同时处理多种可能性。例如，普通计算机可能需要逐一尝试不同的解决方案，而量子计算机可以并行探索多个解决方案，从而大幅缩短某些计算所需的时间。量子比特还可以纠缠，这意味着它们的状态是相互关联的。如果你测量一个纠缠的量子比特，你就能立即知道它的同伴的状态——阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为著名的“幽灵般的超距作用”。通过协调纠缠的量子比特，量子计算机有效地让量子比特像一个团队一样协同工作进行计算，这可以大大加快解决复杂问题的速度。

简单来说，经典计算与量子计算的区别就像单任务处理和多任务处理的区别。经典计算机遵循一系列步骤，一次评估一种可能性。而量子计算机则利用概率和并行性。它们利用量子物理学的奇特特性，同时考虑无数种可能的结果。例如，在繁忙的城市中寻找最快路线：经典算法必须逐一检查每条路线，而量子算法可以同时评估多条路线——更像是同时测试所有捷径。这并不意味着量子计算机在所有方面都更快；而是说，它们在某些类型的任务（例如优化、模拟或密码学）中具有独特的强大能力，这些任务受益于大规模的并行探索。总之，量子计算机以截然不同的方式处理信息，使其有可能解决即使是最快的经典超级计算机也难以解决或永远无法在合理时间内解决的问题。

量子计算的实际应用

量子计算听起来或许很理论化，但它在不久的将来将拥有非常实际的应用。以下列举几个各行各业的激动人心的例子——其中一些领域未来可能会影响新加坡的企业和消费者：

• 医疗保健与药物研发：量子计算机能够以前所未有的精度模拟分子和生化相互作用。这将极大地推动药物研发，使研究人员能够更快地模拟新药与人体的相互作用。例如， Google与一家制药公司合作，利用量子模拟技术对一种关键酶（细胞色素P450）进行建模，其速度和精度均优于传统计算机。从长远来看，这意味着能够更快地开发出拯救生命的疗法——这对新加坡乃至全球的医疗创新中心来说都是一大福音。
• 金融与风险管理：银行和金融机构正在探索利用量子计算处理海量数据，以优化投资组合和进行风险分析。例如，量子计算机可以同时分析多种投资策略，找到最优方案，或者在欺诈检测中发现细微的模式。新加坡金融业是我国经济的基石，有望从这些进步中受益，获得用于模拟复杂市场行为和提高交易安全性的工具。
• 物流与供应链：量子优化算法能够解决复杂的物流问题，例如规划配送路线或管理包含无数变量的供应链。对于规模庞大的网络，传统方法往往力不从心，而量子计算则可能迅速找到缩短配送时间和降低运输成本的方法。对于新加坡的物流和航运公司而言，这意味着未来港口运营或配送系统将更加高效，从而有望降低企业和消费者的成本。
• 网络安全：量子计算对安全而言是一把双刃剑。一方面，强大的量子计算机可能破解当今许多加密方法，这令人担忧数据安全。但另一方面，量子技术正在催生新型的量子安全密码学，即使是量子计算机也无法破解。全球范围内（包括新加坡的研发中心）已在积极研发适用于量子时代的安全加密技术。实际上，这意味着未来的消费者可以享受更强大的数据保护，企业也能更好地保护敏感信息免受量子黑客攻击。
• 能源与材料科学：量子计算机有望助力设计更优质的电池、太阳能电池材料，甚至提升清洁能源的生产效率。通过模拟材料中的量子相互作用，量子计算机能够发现新的物质或更高效的化学反应。一个显著的例子是：研究人员利用量子计算更精确地模拟了电池化学（例如锂镍氧化物材料），从而为研发更强大、更环保的电池铺平了道路。这有望带来续航里程更长的电动汽车，或优化能源网络以实现可持续发展。新加坡凭借其智慧国家计划和对可再生能源的重视，可以利用这些突破性进展来构建更加绿色的未来。此外，量子模拟还有助于聚变能源等复杂项目的开展，提供洞见，使我们离近乎无限的清洁能源更近一步。
  
  这些例子仅仅揭示了量子计算潜力的冰山一角。从优化公共交通时刻表到加速人工智能研究，量子计算的应用前景涵盖医疗保健、金融、物流、国家安全等诸多领域。新加坡和许多其他国家都在投资量子技术，这并不令人意外——其潜在效益有望在未来十年彻底改变经济的关键行业。

益处和潜在影响

为什么量子计算能取得的成就如此引人关注？这种兴奋感源于量子计算机有望带来的几个关键优势：

• 量子计算机在特定问题上拥有无与伦比的速度：量子计算机处理某些计算的速度远超传统计算机。通过利用量子效应，它们或许能在几分钟内解决当今最先进的超级计算机需要数千年才能解决的问题。这种速度提升并非仅仅意味着运行常规应用程序的速度更快，而是能够应对诸如破解复杂数学代码、搜索庞大数据库或模拟以往难以实现的物理问题等重大挑战。对于企业而言，这意味着能够以前所未有的速度找到最优解决方案或洞察，从而获得竞争优势。
• 更优的模拟和人工智能发展：量子计算最大的优势之一在于模拟自然。由于量子计算机本身基于量子原理运行，因此它们能够原生模拟化学物质、材料和物理系统。这有望加速制药（如前所述，新药研发）、材料科学（新型复合材料或催化剂）以及气候建模领域的创新。此外，量子计算还能通过加速机器学习算法和更高效地处理高维数据来提升人工智能。事实上，专家认为，量子计算机最终可能与人工智能协同工作，以传统计算机无法企及的方式处理自然语言理解或大数据模式识别等复杂任务。其结果可能是为消费者和企业带来更强大的人工智能服务和更智能的技术。
• 战略性商业与经济影响：尽早采用量子技术可能成为企业的战略差异化优势。在以金融、生物技术和物流闻名的新加坡科技生态系统中，整合量子解决方案的企业或许能够比竞争对手更高效、更具创新性地解决问题。例如，一家采用量子优化路线的物流公司在配送速度和成本方面可能优于其他公司。鉴于此，新加坡政府和研究机构正大力支持量子研发。自2000年代以来，新加坡已在量子研究项目上投入超过$700 。这项投资并非仅限于学术研究，而是旨在确保新加坡经济面向未来。量子计算被视为未来几年经济竞争力和安全性的战略要务。在全球范围内，量子产业预计将迎来爆发式增长——据估计，到2035年，其规模将达到$1.3万亿美元。换言之，现在就了解并应用量子计算，将使企业和个人能够乘上下一轮科技革命的浪潮。
• 解决“不可能”的问题：量子计算有望解决以前几乎不可能解决的问题。这些问题包括优化极其复杂的系统（例如全球交通流量或高级经济模型）以及破解某些加密代码（这对安全和隐私具有重要意义）。对于公众而言，其长期影响可能是技术突破，从而改善日常生活——从更可靠的公共交通和更智能的城市服务，到延长寿命和提高生活质量的医学发现。所有这些益处都凸显了量子计算为何常被称为颠覆性技术。它并非要取代传统计算机完成日常任务，而是要开辟计算机能力的新领域。对于像新加坡这样具有前瞻性的社会而言，了解量子计算是什么以及它是如何运作的，不仅仅是学术上的——它对于确保职业和企业的未来发展至关重要。

量子计算的挑战与局限性

量子计算听起来固然令人惊叹，但必须认识到，该领域仍处于起步阶段。如今的量子计算机令人印象深刻，但它们也很脆弱，仍处于实验阶段，还有几个重大挑战需要克服：

大多数所谓「量子计算机」的照片，拍的其实不是计算机本身，而是那台制冷机。处理器本身只是一块单手可握的芯片，上方庞大的结构全都是为了让这块芯片保持低温与不受干扰。IBM 表示其量子处理器必须运行在「比绝对零度以上一度还要冷约一百倍」的环境中，所用的制冷系统「能够制造出比外太空更低的温度」。这就是这些机器待在实验室而不是办公桌上的真实原因。但这并非适用于所有技术路线：离子阱式量子计算机改用激光冷却单个原子，IonQ 表示其多普勒冷却可达到「高于绝对零度约千分之零点五度」，而且无需对任何配套硬件进行制冷。所以「量子计算机」并不自动等于「巨型冰箱」，这取决于量子比特是用什么做的。

• 退相干：最大的技术障碍是退相干。量子比特一旦与环境发生相互作用，就会很快失去其量子特性——细微的振动、温度变化或电磁噪声，都可能让量子比特脱离叠加态或破坏纠缠。一旦发生，量子计算就会坍缩成普通的经典比特，优势荡然无存。目前的机器只能维持极短时间的运算，因此大量工程投入都花在把量子比特与噪声隔离，以及纠正那些仍然漏过来的错误上。
• 纠错与量子比特质量：由于量子比特极易出错，量子纠错——在不干扰量子态的前提下发现并修正错误——是这个领域最大的研究方向之一。通常的做法是把许多物理量子比特组合起来，代表一个可靠的「逻辑」量子比特，这也是为什么一台真正好用的机器可能需要数千个物理量子比特，才能换来数量少得多的可用量子比特。进展是实在的：谷歌在 2024 年 12 月报告，其 Willow 芯片上更大的量子比特阵列（3×3、5×5、7×7）每一次都让错误率减半而不是升高——这就是该领域追逐了数十年的「低于阈值」结果。
• 规模与可获得性：量子比特的数量并不是大家以为的天花板。IBM 于 2023 年推出的 Condor 处理器拥有1,121 个超导量子比特——而 IBM 自己给它的评价是，其性能与前一代 433 量子比特的机器相当，因为量子比特的原始数量并不等于可用的算力。真正重要的是能同时维持多少个经过纠错的量子比特，而 IBM 公布的路线图讲得很清楚：Nighthawk 计划在 2026 年于最多三个 120 量子比特模块上运行 7,500 个量子门，首台容错机器 Starling 计划于 2029 年推出，200 个量子比特、运行 1 亿个量子门，之后是 2033 年起、名为 Blue Jay 的 2,000 量子比特系统。IBM 明确标注这些是「可能变更」的目标，而不是已交付的产品。无论如何，这些都不是你能买回家的东西：量子计算是通过少数几家公司和国家实验室运营的云服务来使用的。你无法在珍珠坊或新达城买到一台量子笔记本电脑，而且目前公开的任何路线图都没有显示将来会有。
• 成本与人才：复杂的硬件、持续的维护，加上受过训练的人才稀少，使这成为一个昂贵的领域，目前只有资金雄厚的机构才建得起或用得起这些机器。我们不会给你报一个价格，因为没有任何一家制冷硬件厂商公布价目表，市面上流传的每一个数字都是别人的估算。IBM 确实公布的内容足以说明规模：单台 Condor 系统在一台稀释制冷机内布有超过一英里（约 1.6 公里）的高密度低温布线。受过训练的人才是另一个瓶颈——这正是本页下文所述的国家级计划为什么要把奖学金与硬件放在一起的原因。

那么，量子计算机真的赢过经典计算机了吗？在精心挑选的基准测试上，是的——而且这类主张越来越有分量，这也是本页原本的答案需要更新的原因。谷歌的 Willow 芯片（105 个量子比特，2024 年 12 月 9 日发布）运行随机线路采样基准测试，「在五分钟内完成的计算，当今最快的超级计算机之一需要一千亿亿亿（10²⁵）年」。2025 年 10 月 22 日，谷歌更进一步，在《自然》期刊上发表了它所称的首个「可验证的量子优势」：一个名为 Quantum Echoes 的算法，谷歌表示它在 Willow 上的运行速度比世界上最快的超级计算机之一上运行的最佳经典算法快 13,000 倍。⚠️ 请连同谷歌自己的但书一起读，因为该公司说得很直白：这是「迈向首个真实世界应用的重要一步」，随附的化学研究则是「原理验证实验」。赢下一项基准测试，与完成一件有人付钱要做的工作，并不是同一回事——但「从未发生过」也已经不再是正确答案了。

总而言之，量子计算并非万能灵药——至少目前还不是。它是一个潜力巨大的领域，正在稳步发展，但也面临着严峻的技术挑战。我们可能需要数年时间进行研发，才能拥有真正容错的大规模量子计算机。在此之前，经典计算机仍然是满足日常需求的最佳选择，而量子计算机则是令人兴奋的研究项目，正朝着变革性突破稳步迈进。这一历程与经典计算机的早期发展阶段（想想20世纪40年代的房间大小的机器）颇为相似——进步迅速，但距离量子计算机普及应用还有很长的路要走。对于我们这些关注科技趋势的人来说，这意味着我们应该对量子计算的时间表保持乐观但务实的态度：为这项科学感到惊叹固然重要，但也要理解研究人员和工程师们正在争分夺秒地克服的重重障碍。

新加坡的量子计算：究竟是谁在建造它

本页是写给新加坡读者的，所以这里补上大多数科普文章都会略过的一段：在这件事上，新加坡不是旁观者。2024 年 5 月 30 日，在亚洲科技大会（Asia Tech x Summit）上，副总理王瑞杰宣布了国家量子战略——资金来自「研究、创新与企业 2025」计划，金额接近 3 亿新元，预计五年内投入。该战略由 国家量子办公室（National Quantum Office）推动，办公室于 2022 年 4 月成立，由新加坡科技研究局（A*STAR）承办，并获得国家研究基金会（NRF）支持。其下有四项内容，每一项都是有实体地址的真实机构：

• 量子技术中心（CQT）：2007 年 12 月成立，是新加坡第一个卓越研究中心，由新加坡国立大学（NUS）承办。在国家量子战略下，它正被提升为国家级旗舰研发中心，并在 A*STAR、国大、南洋理工大学（NTU）、新加坡科技设计大学（SUTD）等机构设立节点。
• 国家量子安全网络（NQSN）：一个全国性计划，并已建成实地部署的测试平台，用于量子安全通信——也就是下文提到的加密担忧的实际解法，而且是在本地动手建，而不是只停留在讨论。
• 国家量子处理器计划（NQPI）：设立目的是让新加坡能够自行设计和制造实用的量子处理器，技术路线包括离子阱、中性原子阵列，以及光子元件技术。
• 其余的国家级计划：面向产业开放使用的国家量子计算中心（NQCH）、整合本地洁净室、真正负责制造这些器件的国家量子联合铸造厂（NQFF），以及 2024 年启动的国家量子传感计划（NQSP），涵盖定位导航授时、遥感与生物医学成像。

这对普通读者而不是研究人员为什么重要：正是因为有这些计划，量子相关的工作岗位、奖学金和大学名额今天才会出现在本地；也正是因此，那些最终会保护你的银行账户和电子邮件的「量子安全」工作，是在乘几站公交就能到的地方进行，而不是只发生在加州。本节的每一个数字，都是于 2026 年 8 月 27 日从新加坡国家量子办公室自己公开发布的材料中读取的——包括「接近」这个措辞，我们没有把它四舍五入成整数。

为什么理解量子计算对我们的数字未来至关重要

量子计算听起来像是科幻小说，但对于生活在日益数字化的世界中的我们每个人来说，了解它的本质至关重要。想想计算机和互联网是如何从鲜为人知的发明发展成为日常生活必需品的——量子技术也可能遵循类似的路径。通过了解量子计算的本质及其潜力，具有前瞻性的个人和企业可以为下一波创新浪潮做好准备。对于专业人士而言，掌握量子技术可以开辟新的职业道路或商业机会，尤其是在新加坡作为科技创新中心不断发展壮大之际。对于消费者而言，这意味着准备好迎接未来的服务——无论是由量子加密技术驱动的超安全通信，还是量子计算带来的医疗保健和人工智能领域的快速发展。

此外，量子计算代表着能力上的战略飞跃。世界各国和企业（包括新加坡）都在大力投资这一领域，因为他们认识到量子计算有可能重新定义竞争力。它不仅仅关乎更快的计算机，更关乎解决以往无法解决的问题。了解这项技术有助于我们把握即将到来的突破——从新的医疗疗法到更智能的城市基础设施——以及面临的挑战（例如，面对量子黑客攻击的风险，需要升级安全协议）。作为一个社群，我们了解得越多，就越能更好地探讨、塑造和指导量子技术在社会中的伦理和实际应用。

从本质上讲，学习量子计算并非科学家的专属领域；它正成为面向未来的公民的必备技能。保持好奇心和信息灵通，才能让你在这场变革中获益，而不是被它所震撼。在 Esmond Service Centre，我们鼓励所有人——无论你是学生、创业者，还是科技爱好者——持续探索这些新兴领域。数字未来将建立在量子计算等技术之上，而了解这些技术是未来驾驭它们的第一步。量子计算或许仍在不断发展，但其重要性毋庸置疑：它必将成为我们数字未来的基石，而掌握其基础知识将使你能够参与到这段激动人心的旅程中。

量子计算对你手上这台电脑，会做什么、不会做什么

以下这部分，维修店最有资格告诉你，因为另一种说法造成的后果，我们每周都会看到。量子计算机不会修好一台变慢的笔记本电脑，不会恢复一个被删除的文件，也不会修复一块正在损坏的硬盘。2026 年你能买到的任何设备里都没有量子比特，公开路线图上也没有任何一台消费级机器将来会有——IBM 排定在 2029 年和 2033 年的容错系统，是需要专用供电与制冷的数据中心设备。如果有店家、广告或视频告诉你不是这样，那是营销话术。

• 对加密的担忧是真的，但这件事不该由你来解决。担忧本身站得住脚：一台足够大的量子计算机将能破解互联网上大部分公钥加密，今天被截获的数据，原则上可能在多年后被解密。但解决办法发生在标准层面，而不是在你的笔记本电脑上。美国国家标准与技术研究院（NIST）已于 2024 年 8 月 13 日发布前三项后量子加密标准——FIPS 203（ML-KEM）、FIPS 204（ML-DSA）和 FIPS 205（SLH-DSA）——并敦促系统管理员立即着手整合。你的操作系统、浏览器和银行都会继承这项工作。你要做的全部，就是让设备保持更新。
• 没有人能给你一个确切日期，所以对给得出日期的人要留个心眼。NIST 只说专家预测能够破解现有加密的设备「可能在十年内出现」，并且明确把它当作专家推测，而不是时间表。任何以某个具体「量子大限」向你推销的产品，卖的其实是那个期限。
• 今年真正会让你丢失文件的，都是些平常事。硬盘开始咔哒作响、笔记本电脑摔了一下、误删了文件、没有备份。这才是今天值得你花钱和注意力去处理的风险；而且和量子那件事不同，它今天下午就完全在你自己手上。

何时该停止使用故障硬盘，并送到服务中心

我们自己的数据恢复页面用一句话写清了规则，这里再重复一次，因为照做不花一分钱：「立即停止使用该硬盘。如果它发出咔哒声、无法启动或已无法被识别，请立刻断电并保持关机——反复通电只会让机械故障更严重。如果文件是被删除或丢失的，继续使用该硬盘可能会覆盖掉还能恢复的数据。」一块正在损坏的硬盘每多运行一小时，就可能有一批数据再也拿不回来；而一旦被覆盖，那是量子计算机也永远无法逆转的永久性损失。该停的时刻就是现在——把它送过来，在任何新数据写入之前，先让专业人员看一看。爱思盟服务中心（Esmond Service Centre）的数据恢复服务，先免费评估，并在开始恢复前给出固定报价，没有隐藏收费，并采取「无法恢复数据则不收费」的方式，所以拿来检测，除了跑一趟之外不花钱。了解我们在新加坡的数据恢复服务。

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由 Esmond Service Centre 创始人兼首席技术培训师 Esmond Liu于 2025年6月22日审核并发布。