來源：光子盒

2025年，無疑是量子計算史上具有里程碑意義的一年。

全球量子計算的競賽正面臨一個尖銳的矛盾：“理論具有超越現(xiàn)實的速度優(yōu)勢”。一方面，

新的協(xié)議和算法不斷涌現(xiàn)

量子機器本身卻“正在撞墻”，陷入工程實現(xiàn)的瓶頸

驚人的數(shù)字印證了這一緊迫性：Google量子芯片在六年內(nèi)僅從53個量子比特增加到105個。按照這個速度推算，要達到通用計算所需的“100萬個物理量子比特”目標將遙遙無期。核心問題在于當今量子系統(tǒng)的構(gòu)造：“管線叢林”和離散組件的設計，使得“布線的復雜性完全壓倒了量子設備本身”。

11月20日，2025年諾貝爾物理學獎獲得者John Martinis在

Financial Times

為什么“工程化”是唯一的出路？

量子計算的未來，已不再是純粹的理論之爭，而是迫在眉睫的工程挑戰(zhàn)。John Martinis的呼吁，源于量子比特固有的脆弱性，這構(gòu)成了實現(xiàn)通用量子計算的本質(zhì)瓶頸。

（一）量子計算的本質(zhì)瓶頸：退相干與誤差修正

與經(jīng)典比特的穩(wěn)定性截然不同，量子比特對環(huán)境的干擾，如溫度波動、電磁噪聲等，極其敏感，容易發(fā)生“退相干”，導致存儲的量子信息瞬間丟失。為了克服這一核心物理問題，業(yè)界必須邁向“容錯量子計算”。要實現(xiàn)容錯，一個邏輯量子比特往往需要數(shù)百甚至上千個物理量子比特進行冗余編碼和實時糾錯。

因此，像運行Shor算法或進行大規(guī)模分子模擬這類“指數(shù)級處理”任務，需要的是大規(guī)模、高保真度的物理比特集群。Martinis明確指出，要達到通用計算的門檻，至少需要“一百萬個物理量子比特”作為基石。

（二）摩爾定律的失靈與量子規(guī)模的困境

經(jīng)典半導體產(chǎn)業(yè)的成功，得益于摩爾定律及其背后平面光刻技術(shù)的可靠擴展性。然而，量子計算的規(guī)模化卻面臨一種“量子悖論”：復雜性不在于芯片本身，而在于支撐芯片運行的外部控制系統(tǒng)。

來源：Google Quantum AI

正如人們所見，“現(xiàn)代量子系統(tǒng)內(nèi)部”是“一堆電線和分立元件組成的叢林”，其“布線的復雜性完全壓倒了量子設備本身”。隨著量子比特數(shù)量的增加，用于冷卻、控制和讀取的外部微波線、放大器等“管道”呈幾何級或超線性增長，最終演變成“意大利面條式的控制系統(tǒng)”。外部連線導致的散熱、空間和噪聲問題，使得在低溫恒溫器中物理上無法容納百萬級別的控制線路。因此，用一個“集成芯片”來取代這套“意大利面條式的控制系統(tǒng)”，是解決量子規(guī)模化幾何和熱力學困境的唯一出路。

（三）產(chǎn)業(yè)的成熟標志：從實驗室到晶圓廠

從本質(zhì)上講，量子計算的規(guī)?；馕吨粓鰪目蒲心Ｊ降焦I(yè)模式的產(chǎn)業(yè)升級。Martinis批判道，目前的超導量子比特社區(qū)仍在依賴“60年歷史的剝離制造工藝”，這種過時的工藝“不夠潔凈，也無法擴展”。

量子計算的突破口，必須從“追逐下一個算法演示”轉(zhuǎn)向?qū)χ圃旃に嚨膹氐赘镄?。Martinis強調(diào)：“通往可擴展量子計算機的道路，鋪滿了高科技制造設備，而非僅僅是高影響力的論文”。這意味著必須拋棄實驗室級的非標工藝，全面轉(zhuǎn)向與現(xiàn)代智能手機中“數(shù)十億晶體管”相匹配的“最先進的芯片制造技術(shù)”，擁抱潔凈、高精度、高良率的晶圓廠模式，才能真正釋放量子技術(shù)的巨大潛力。

科技巨頭的破局之路

John Martinis在文章中明確指出，量子計算的規(guī)模化，要求我們必須進行一場工業(yè)革命，核心任務是利用現(xiàn)代工程技術(shù)取代陳舊的實驗室作坊模式。這場革命的焦點集中于兩大戰(zhàn)場：低溫控制電路的集成和量子芯片制造工藝的徹底轉(zhuǎn)型。

（一）低溫控制芯片：工程化的核心戰(zhàn)役

Martinis提出了一個大膽的愿景：“整個意大利面條式的控制系統(tǒng)必須被一個單一的集成芯片取代?！边@一理念的核心正是低溫集成電路，通?；诘蜏谻MOS技術(shù)。

低溫集成電路是解決“導線叢林”問題的關(guān)鍵。它的原理是將數(shù)千路原本位于室溫或4開爾文（4K）環(huán)境下的控制信號處理、脈沖生成和讀出電路，下移至極低溫環(huán)境，例如4K或100毫開爾文（100mK）附近。這實現(xiàn)了控制信號的“就地”處理，大幅減少了從室溫延伸到芯片的物理導線數(shù)量。同時，它能將復雜的脈沖序列、誤差修正邏輯以及信號放大功能集成到單個芯片上。這種轉(zhuǎn)變是量子計算從20世紀60年代的“房間大小的主機向70年代的微芯片”過渡，而這是一項“工業(yè)工程奇跡”，而非抽象數(shù)學上的創(chuàng)新。

英特爾作為Cryo-CMOS技術(shù)的先驅(qū)之一，大力推進Horse Ridge II/III等低溫控制芯片項目，旨在實現(xiàn)基于自旋量子比特和超導量子比特的全集成控制；谷歌與IBM這兩家公司均在其稀釋制冷機內(nèi)部嘗試集成定制的低溫電子控制模塊，這標志著控制系統(tǒng)正從外置、笨重的控制柜向內(nèi)嵌式ASIC/FPGA轉(zhuǎn)移，以實現(xiàn)更快的反饋回路和更高的量子操作保真度；此外，專業(yè)的低溫設備制造商作為新興力量的代表，如Oxford Instruments和Bluefors，正聯(lián)合芯片公司開發(fā)模塊化、可擴展的低溫基礎設施，旨在為未來的百萬級量子系統(tǒng)提供標準化、工業(yè)級的環(huán)境。

圖：Google Quantum AI路線圖

來源：Google Quantum AI

（二）制造工藝革命：從“實驗室作坊”到“晶圓代工”

Martinis直言不諱地批評了量子計算芯片目前所依賴的、已有60年歷史的“剝離制造工藝”，認為這種過時的工藝“不夠潔凈，也無法擴展”。他強調(diào)，量子計算必須“采用最先進的芯片制造技術(shù)”，即與制造現(xiàn)代智能手機中數(shù)十億晶體管相同的技術(shù)。

IBM正在利用其深厚的半導體制造基礎，推動量子芯片制造的標準化和高良率。在這個月IBM的成果發(fā)布中，IBM表示其量子處理器晶圓的主要制作工作已在位于紐約州奧爾巴尼的300mm晶圓工廠中展開，以推進新一代量子芯片的量產(chǎn)化研究。此次IBM在300mm硅晶圓上的嘗試，旨在利用成熟的晶圓代工流程，從而克服超導量子比特對潔凈度極高要求的挑戰(zhàn)。同時，Rigetti Computing公司利用其專有的晶圓廠，嘗試將量子芯片制造流程化、產(chǎn)品化，為外部研究機構(gòu)和企業(yè)提供了制造量子芯片的途徑。

圖：IBM研究人員手持300毫米IBM Quantum Nighthawk晶圓

來源：IBM

Martinis的最終目標是實現(xiàn)“每系統(tǒng)數(shù)百萬量子比特”。然而，單塊晶圓的尺寸限制、信號走線難度以及極低溫環(huán)境下的熱耗散問題，使得單塊芯片難以直接承載如此巨大的量子比特數(shù)量。解決方案的關(guān)鍵在于模塊化與互連。Martinis提出，在單個潔凈晶圓上實現(xiàn)20000個高保真量子比特后，便可以通過“互連這些晶圓，實現(xiàn)每系統(tǒng)數(shù)百萬量子比特的目標”。

Martinis認為：“我們擁有大部分物理學基礎，現(xiàn)在我們需要的是工程師和技術(shù)人員?！边@場工程戰(zhàn)役的勝利，將把量子計算從“叢林般的電線”中解放出來，轉(zhuǎn)化為由標準化、可擴展的低溫模塊化芯片構(gòu)建而成的通用計算系統(tǒng)。

量子工業(yè)的藍領復興

這場由John Martinis發(fā)起的工程化呼吁，其意義早已超越了純粹的技術(shù)指標，上升至公司戰(zhàn)略乃至國家主權(quán)的高度。

“當經(jīng)典半導體產(chǎn)業(yè)將其大部分制造能力轉(zhuǎn)移到海外時，技術(shù)領導地位也隨之轉(zhuǎn)移。”這一歷史教訓正警示著量子計算。建設國內(nèi)基礎設施的承諾，其重要性“比單純的技術(shù)指標意義更大”。量子技術(shù)不僅是科學競賽，更是攸關(guān)國家安全和技術(shù)主權(quán)的關(guān)鍵基礎設施，若量子芯片的制造能力和低溫電子學的供應鏈被壟斷或外包，將直接影響到密碼學和軍事領域的自主可控。

Martinis的呼吁帶有深刻的社會價值。他以自己“藍領家庭”的出身強調(diào)：“制造業(yè)是美國優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)性就業(yè)的基石?！?strong>量子計算的工業(yè)革命，預示著就業(yè)結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)變。行業(yè)對人才的需求將從純粹的物理學家和理論家，轉(zhuǎn)向高精密工程師、低溫技術(shù)員和晶圓廠工藝專家。這是一場從知識經(jīng)濟到制造經(jīng)濟的回潮，一場“量子藍領”的復興。

為實現(xiàn)這一目標，資金的導向必須調(diào)整。Martinis質(zhì)疑，現(xiàn)代文化對“最新成果和激進營銷”的關(guān)注，是否使“艱巨但坦率地說不那么光彩的深層工業(yè)工程工作”更難獲得資助。他呼吁將投資從“追逐下一個算法演示”轉(zhuǎn)移到攻克巨大的“制造和工程挑戰(zhàn)”上來。

全球主要力量已意識到工程化的迫切性。中國強調(diào)“舉國體制”在基礎設施和制造領域的優(yōu)勢，致力于在量子芯片制造和集成方面加速追趕；美國通過《國家量子倡議法案》等，旨在平衡基礎研究與工程化投入，并強力支持國內(nèi)半導體供應鏈，以避免重蹈經(jīng)典半導體“離岸外包”的覆轍；歐洲強調(diào)“去中心化”的合作模式下，對量子制造生態(tài)系統(tǒng)的支持，例如在低溫電子學上的積累。

最終，正如Martinis所總結(jié)的，“如果不能迅速引入所需的制造技術(shù)，我們就有可能讓量子計算的潛力永遠被困在導線叢林之中?！?strong>這場量子工業(yè)革命，不僅關(guān)乎計算的未來，更關(guān)乎技術(shù)領導地位的歸屬和制造業(yè)的復興。

超越導線叢林，邁向通用未來

量子計算的未來，不在于理論的復雜性，而在于工程學的簡潔性。

我們正處于一場偉大轉(zhuǎn)折的臨界點，就像從“房間大小的主機”到“微芯片”的轉(zhuǎn)變。量子計算的“登月計劃”已經(jīng)進入倒計時，但我們需要的不是更多的理論藍圖，而是工業(yè)級的火箭和燃料，即低溫集成電路和先進芯片制造工藝。

最終呼吁是明確且緊迫的：如果不能將目光從“高影響力的論文”轉(zhuǎn)向“高科技制造設備”，如果不進行這場工業(yè)工程革命，量子計算的巨大潛力，將“永遠被困在導線叢林之中”。這場革命不僅將帶來算力革命，更將帶來一次社會財富和國家力量的重塑。

我們已經(jīng)有了物理學原理，現(xiàn)在是時候讓工程師和技術(shù)人員接棒，為人類的未來點亮這束量子之光了。

[1]https://quantumai.google/roadmap

[2]https://www.ibm.com/quantum/hardware

[3]https://bluefors.com/press-releases/bluefors-announces-major-advances-in-cryogenic-measurement-systems-with-new-enhanced-cooling-high-density-flex-wiring-products/

[4]https://thequantuminsider.com/2019/12/20/googles-quantum-computer-leader-makes-natures-2019-top-moments-in-science/

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