文|光子盒GZH2025年7月，光子盒研究院發(fā)布報(bào)告《2025年全球量子計(jì)算新進(jìn)展深度分析》。這份報(bào)告回顧并分析了2025年開(kāi)年來(lái)光子、拓?fù)?、超?dǎo)和硅基電子自旋量子比特等多樣化量子比特模式的關(guān)鍵突破，以及量子互連和控制系統(tǒng)方面的重大進(jìn)展，還探討了量子計(jì)算在擴(kuò)展過(guò)程中面臨的巨大工程和環(huán)境障礙。
報(bào)告指出，這些進(jìn)展表明盡管研究方法各異，但整個(gè)領(lǐng)域正趨向于解決量子系統(tǒng)可擴(kuò)展性的共同目標(biāo)。當(dāng)前量子計(jì)算發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力在于如何將單個(gè)高性能量子比特?cái)U(kuò)展至數(shù)百萬(wàn)個(gè)，并使其可靠地協(xié)同工作，而非僅僅提升單個(gè)量子比特的性能。
目錄
I.摘要II.引言2.12025年量子計(jì)算概覽：年度技術(shù)焦點(diǎn)2.2研究目的與范圍III.2025年全球量子計(jì)算重大進(jìn)展3.1PsiQuantum的光量子計(jì)算平臺(tái)3.2微軟的拓?fù)淞孔颖忍?.3D-Wave的超導(dǎo)量子退火處理器3.4用于硅MOS型電子自旋量子比特的CMOS芯片控制3.5無(wú)線太赫茲低溫互連技術(shù)3.6可互換超導(dǎo)量子比特器件的初級(jí)網(wǎng)絡(luò)3.7電子-光量子片上系統(tǒng)3.8超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展挑戰(zhàn)IV.結(jié)論摘要
本報(bào)告旨在深入分析2025年全球量子計(jì)算領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展。2025年被聯(lián)合國(guó)定為“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年”，這凸顯了該領(lǐng)域自20世紀(jì)80年代理論起源以來(lái)的快速發(fā)展。報(bào)告詳細(xì)審視了橫跨光子、拓?fù)?、超?dǎo)和硅基電子自旋量子比特等多樣化量子比特模式的關(guān)鍵突破，以及量子互連和控制系統(tǒng)方面的重大進(jìn)展，對(duì)每項(xiàng)成就都進(jìn)行了技術(shù)細(xì)節(jié)、創(chuàng)新點(diǎn)及其對(duì)可擴(kuò)展性這一核心挑戰(zhàn)的影響的深入剖析。此外，報(bào)告還探討了量子計(jì)算在擴(kuò)展過(guò)程中面臨的巨大工程和環(huán)境障礙，將其與歐洲核子研究中心（CERN）或激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）等大型科學(xué)設(shè)施的建設(shè)相類比，強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界持續(xù)合作的日益重要性。
本年度的進(jìn)展表明，盡管研究方法各異，但整個(gè)領(lǐng)域正趨向于解決量子系統(tǒng)可擴(kuò)展性的共同目標(biāo)。這種趨同的焦點(diǎn)揭示了，當(dāng)前量子計(jì)算發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力在于如何將單個(gè)高性能量子比特?cái)U(kuò)展至數(shù)百萬(wàn)個(gè)，并使其可靠地協(xié)同工作，而非僅僅提升單個(gè)量子比特的性能。
引言2.12025年量子計(jì)算概覽：年度技術(shù)焦點(diǎn)
2025年是聯(lián)合國(guó)量子信息科學(xué)與技術(shù)年，對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域而言是極具里程碑意義的一年，這一殊榮彰顯了自20世紀(jì)80年代初量子計(jì)算概念首次提出以來(lái)，以及20世紀(jì)90年代量子處理器超越傳統(tǒng)處理器的巨大潛力日益明朗化以來(lái)，該領(lǐng)域所取得的飛速發(fā)展。近年來(lái)，量子硬件的實(shí)際形態(tài)已逐步顯現(xiàn)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究團(tuán)隊(duì)在過(guò)去一年中展示了多項(xiàng)強(qiáng)大的成果，極大地激發(fā)了人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興奮和期待。自2025年1月以來(lái)，這種快速發(fā)展勢(shì)頭有增無(wú)減。
量子計(jì)算從最初的理論構(gòu)想發(fā)展到如今具備強(qiáng)大演示能力的硬件，標(biāo)志著該領(lǐng)域已從純粹的概念或小規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段邁向了更成熟的階段。當(dāng)前對(duì)量子計(jì)算的期待已不再僅僅基于抽象的理論前景，而是植根于日益強(qiáng)大的硬件能力，這也預(yù)示著量子技術(shù)正處于發(fā)展歷程中的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，即從基礎(chǔ)研究向工程實(shí)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用加速轉(zhuǎn)變。
2.2研究目的與范圍
本報(bào)告旨在對(duì)2025年1月以來(lái)全球量子計(jì)算領(lǐng)域的新進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)分析，主要依據(jù)近期發(fā)表于《自然·電子學(xué)》(NatureElectronics)上的一篇社論及其引用的研究文獻(xiàn)。報(bào)告范圍涵蓋對(duì)每項(xiàng)重大成就的技術(shù)基礎(chǔ)、創(chuàng)新之處及其對(duì)量子領(lǐng)域（特別是對(duì)量子系統(tǒng)持續(xù)面臨的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)）更廣泛影響的深入探討。
2025年全球量子計(jì)算重大進(jìn)展
2025年，全球量子計(jì)算領(lǐng)域涌現(xiàn)出多項(xiàng)突破性進(jìn)展，涵蓋了從新型量子比特制造平臺(tái)到提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性的互連技術(shù)。下表總結(jié)了本年度的主要成就：
圖：截至2025年7月全球量子計(jì)算領(lǐng)域的主要技術(shù)成就
3.1PsiQuantum的光子量子計(jì)算平臺(tái)
2025年2月，PsiQuantum公司在《自然》(Nature)雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，報(bào)告了一種可制造的光子量子計(jì)算平臺(tái)。這項(xiàng)核心成果圍繞其Omega芯片組展開(kāi)，該芯片組專為實(shí)用級(jí)量子計(jì)算設(shè)計(jì)，將單光子量子比特與電信級(jí)硅光子技術(shù)相結(jié)合。PsiQuantum稱這種集成對(duì)于克服顯著的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)高保真量子互連至關(guān)重要，而后兩者都是構(gòu)建百萬(wàn)量子比特系統(tǒng)所必需的要素。
該平臺(tái)的所有光子組件均展現(xiàn)出“超越現(xiàn)有技術(shù)水平的性能”，包括高保真量子比特操作以及直接、長(zhǎng)距離的芯片間量子比特互連。這種互連被視作實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的關(guān)鍵推動(dòng)因素，這對(duì)于許多其它的平臺(tái)而言一直是一項(xiàng)難以逾越的挑戰(zhàn)。PsiQuantum的方法著重于通過(guò)光子學(xué)路徑實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的清晰路線圖，同時(shí)利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)加速規(guī)?；M(jìn)程。
圖：Omega芯片組橫截面來(lái)源：PsiQuantum
這項(xiàng)平臺(tái)的核心創(chuàng)新在于其“可制造性”，這標(biāo)志著量子計(jì)算領(lǐng)域正從基礎(chǔ)研究向大規(guī)模量子系統(tǒng)的實(shí)際部署進(jìn)行戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變。PsiQuantum正在積極與政府合作，在布里斯班和芝加哥建立量子計(jì)算中心，表明其致力于工業(yè)規(guī)模實(shí)施的決心。近期該公司的企業(yè)公告還包括與林德工程公司合作建設(shè)用于全球首個(gè)實(shí)用級(jí)量子計(jì)算機(jī)的低溫工廠，以及與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARFL）簽訂提供新型量子芯片能力的合同。
為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子計(jì)算所需的互連高密度和低溫可靠性，該平臺(tái)采用了先進(jìn)的封裝解決方案，例如電氣集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）的3D集成、光學(xué)輸入/輸出的光纖耦合、倒裝芯片互連、2.5D中介層以及晶圓級(jí)扇出工藝。通過(guò)有效利用現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，這些技術(shù)極大地促進(jìn)了可制造性。
憑借其固有的可制造性以及利用現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工廠的能力，光子學(xué)為實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算提供了一條充滿前景且務(wù)實(shí)的途徑。這種方法代表了一種解決復(fù)雜物理問(wèn)題的工程驅(qū)動(dòng)型方案，體現(xiàn)了量子硬件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域日益成熟的態(tài)勢(shì)。
3.2微軟的拓?fù)淞孔颖忍?/p>
2025年2月，微軟通過(guò)新聞稿宣布其“Majorana1”硬件設(shè)備成功創(chuàng)建了拓?fù)淞孔颖忍?。Majorana1是微軟的首個(gè)量子計(jì)算芯片，由砷化銦-鋁混合材料制成，能在極低溫度下展現(xiàn)超導(dǎo)性。微軟聲稱該設(shè)備顯示出存在邊界馬約拉納零模的信號(hào)，如果得到明確證實(shí)，這些模式將成為拓?fù)淞孔颖忍啬酥链笠?guī)模拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。該設(shè)備設(shè)計(jì)可容納八個(gè)量子比特。
圖：Majorana1來(lái)源：微軟
微軟引入了“拓?fù)鋵?dǎo)體”一詞來(lái)描述Majorana1中使用的這種新型材料，將其定義為一類能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)性的材料，這種材料在理論上被普遍認(rèn)為能有效促進(jìn)馬約拉納零模的制備與調(diào)控。微軟在內(nèi)部白皮書中指出，基于拓?fù)鋵?dǎo)體的架構(gòu)將有助于實(shí)現(xiàn)“編織”操作，這是構(gòu)建容錯(cuò)量子邏輯的關(guān)鍵操作。
基于馬約拉納費(fèi)米子的量子比特被稱為拓?fù)淞孔颖忍?，拓?fù)淞孔颖忍氐母拍钭钤缬?997年提出，為解決傳統(tǒng)量子比特（如基于超導(dǎo)電路或離子阱的量子比特）所面臨的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)提供了極具前景的解決方案。馬約拉納費(fèi)米子是一種準(zhǔn)粒子或特殊的物質(zhì)狀態(tài)，它對(duì)會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)出錯(cuò)的環(huán)境噪聲具有固有抗性。大致來(lái)說(shuō)，這意味著信息（0和1）在空間中分布（編織），使其對(duì)噪聲（熱、電磁干擾等）的敏感性降低。這種拓?fù)浔Ｗo(hù)有望顯著簡(jiǎn)化量子糾錯(cuò)過(guò)程，與現(xiàn)有最先進(jìn)的方法相比，所需的開(kāi)銷可能減少約十倍。微軟的宏偉目標(biāo)是使這種架構(gòu)能夠在一個(gè)芯片上集成多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)量子比特。
然而，Majorana1的發(fā)布在科學(xué)界引發(fā)了“一定程度的懷疑”。這種懷疑主要源于微軟缺乏明確的公開(kāi)證據(jù)來(lái)證實(shí)Majorana1設(shè)備明確展現(xiàn)了真正的馬約拉納零模。微軟在量子硬件方面的研究成果此前也曾引發(fā)爭(zhēng)議，如2018年發(fā)表于《自然》雜志上一篇備受關(guān)注的文章被撤回，以及2017年發(fā)表于《自然·通訊》(NatureCommunications)上一篇與微軟量子芯片相關(guān)的論文被質(zhì)疑存在未披露的數(shù)據(jù)處理。
微軟聲稱Majorana1是“世界上第一個(gè)由拓?fù)浜诵尿?qū)動(dòng)的量子處理單元（QPU）”，但這一說(shuō)法也存在爭(zhēng)議，因?yàn)槟壳肮_(kāi)的硬件演示僅展示了一種讀出方法，并未展示任何相干量子處理或邏輯操作。同樣，微軟新聞稿中“創(chuàng)建馬約拉納粒子”的說(shuō)法與《自然》論文本身相矛盾，該論文明確指出，測(cè)量結(jié)果“本身并不能確定通過(guò)干涉測(cè)量檢測(cè)到的低能態(tài)是否具有拓?fù)湫再|(zhì)”。核心困難在于，在這些設(shè)備中，很難可靠地區(qū)分拓?fù)漶R約拉納模式和拓?fù)淦椒驳陌驳铝曳蚰Ｊ健?/p>
圖：利用tetrons實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算的路線圖來(lái)源：Roadmaptofaulttolerantquantumcomputationusingtopologicalqubitarrays
微軟關(guān)于“創(chuàng)造了一種以前只存在于理論中的新物質(zhì)狀態(tài)”的斷言也受到質(zhì)疑，因?yàn)榇饲耙延写罅炕陬愃企w制的半導(dǎo)體納米線實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)理論上也應(yīng)處于相同的物質(zhì)狀態(tài)。根據(jù)審稿人的意見(jiàn)，該《自然》論文的真正新穎之處更多在于其方法論證明了射頻奇偶校驗(yàn)讀出“可以在復(fù)雜的環(huán)形幾何結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)”，而非提供了馬約拉納零模更強(qiáng)、更確鑿的證據(jù)。
拓?fù)淞孔佑?jì)算的高風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)以及圍繞微軟聲明的諸多質(zhì)疑，凸顯了在量子計(jì)算這一高度復(fù)雜且受到嚴(yán)格審查的領(lǐng)域中，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性和透明、可驗(yàn)證證據(jù)的重要性。即便是主要行業(yè)參與者，在提出突破性主張時(shí)也往往面臨嚴(yán)格的審查，這表明通往容錯(cuò)量子計(jì)算的道路不僅關(guān)乎技術(shù)突破，更在于通過(guò)透明和可重復(fù)的結(jié)果在更廣泛的科學(xué)界建立信任與共識(shí)。
3.3D-Wave的超導(dǎo)量子退火處理器
2025年3月，由D-Wave研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》(Science)雜志上報(bào)告稱，其超導(dǎo)量子退火處理器在性能上超越了現(xiàn)有最先進(jìn)的經(jīng)典模擬器。D-Wave的退火量子計(jì)算機(jī)可以在幾分鐘內(nèi)執(zhí)行磁性材料模擬，而使用超級(jí)計(jì)算機(jī)其精度水平需要近100萬(wàn)年的時(shí)間。
圖：D-Wave的量子處理器
2025年6月，D-Wave團(tuán)隊(duì)在arXiv發(fā)表論文，表示其量子退火平臺(tái)已展示出“快速高效地訓(xùn)練經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）”的能力，訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)隨后可部署在傳統(tǒng)經(jīng)典硬件上。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程被概念化為一種動(dòng)態(tài)相變，系統(tǒng)從初始的自旋玻璃態(tài)演變?yōu)楦叨扔行虻挠?xùn)練態(tài)，通過(guò)有效消除其能量景觀中眾多不期望的局部最小值來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一過(guò)程被生動(dòng)地比喻為“砍掉不斷再生的龍首”。特別是，在D-Wave平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的“龍訓(xùn)練”程序，允許通過(guò)一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更新，同時(shí)懲罰多個(gè)“錯(cuò)誤”的能量盆地（即“龍首”）。
與經(jīng)典反向傳播方法相比，這種量子輔助訓(xùn)練方法實(shí)現(xiàn)了卓越的性能擴(kuò)展，表現(xiàn)出顯著更高的擴(kuò)展指數(shù)（量子輔助為1.01，而經(jīng)典反向傳播為0.78）。研究人員提出，如果采用一種利用格羅弗算法變體的完全相干量子平臺(tái)，這種性能優(yōu)勢(shì)可能進(jìn)一步提高至兩倍，盡管由于現(xiàn)有相干性限制，這尚未在當(dāng)前的D-Wave設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。此外，研究表明，即使是規(guī)模適中的量子退火器，通過(guò)一次只應(yīng)用于幾個(gè)層，也能為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練帶來(lái)顯著益處。D-Wave的量子退火器已顯示出能夠快速生成與薛定諤方程推導(dǎo)出的解高度匹配的樣本。它們?cè)谏婕皬?fù)雜多體量子相互作用的任務(wù)中，相對(duì)于某些基于張量網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典模擬技術(shù)展現(xiàn)出計(jì)算優(yōu)勢(shì)，尤其是在經(jīng)典方法擴(kuò)展性較差的場(chǎng)景中。
圖：訓(xùn)練方法性能對(duì)比（對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)坐標(biāo)）
D-Wave在論文中用對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)坐標(biāo)系直觀展示了不同訓(xùn)練方法的性能比較。上圖繪制了訓(xùn)練誤差率作為訓(xùn)練周期數(shù)的函數(shù)，它清晰地展示了“龍訓(xùn)練”（z=1.01）相對(duì)于經(jīng)典反向傳播（z=0.78）和平衡傳播（z=0.64）的優(yōu)越擴(kuò)展指數(shù)。量子退火作為一種專門的量子計(jì)算范式，與通用門模型量子計(jì)算機(jī)有所不同。D-Wave的上述工作提供了量化證據(jù)，表明量子退火在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等特定計(jì)算任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了明顯的算法量子加速”。量子輔助方法與經(jīng)典方法之間擴(kuò)展指數(shù)的直接比較（1.01對(duì)0.78）為這種優(yōu)勢(shì)提供了令人信服的衡量標(biāo)準(zhǔn)，表明量子退火正在成功地開(kāi)辟出特定的、有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，它能顯著超越經(jīng)典方法。諸多進(jìn)展表明，量子計(jì)算的實(shí)際影響和量子優(yōu)勢(shì)并非完全取決于容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)的全面實(shí)現(xiàn)。即使在當(dāng)前的含噪中等規(guī)模量子（NISQ）時(shí)代，像退火器這樣的專用量子設(shè)備也能為優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題提供即時(shí)、切實(shí)的益處。
3.4用于硅MOS型電子自旋量子比特的CMOS芯片控制
2025年6月，來(lái)自悉尼大學(xué)、Diraq、新南威爾士大學(xué)等研究單位的科研團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，一種在毫開(kāi)爾文溫度下運(yùn)行的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片，可用于控制硅金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）型電子自旋量子比特。
硅是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算極具前景的材料，這主要?dú)w因于其與基于成熟CMOS技術(shù)的經(jīng)典控制硬件進(jìn)行自然集成的內(nèi)在潛力。該研究特別評(píng)估了通過(guò)異質(zhì)集成低溫互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（cryo-CMOS）電路控制硅MOS型電子自旋量子比特的性能。
圖：悉尼大學(xué)開(kāi)發(fā)的低溫量子控制平臺(tái)來(lái)源：Diraq
這種創(chuàng)新方法直接解決了擴(kuò)展自旋量子比特的關(guān)鍵障礙：將量子設(shè)備連接到其外部控制和讀出硬件所需的極高連接密度。研究團(tuán)隊(duì)所提出并演示的解決方案包括將控制系統(tǒng)緊密地放置在毫開(kāi)爾文溫度下的量子比特平臺(tái)附近，并通過(guò)微型互連線連接。所開(kāi)發(fā)的cryo-CMOS電路在運(yùn)行中展現(xiàn)出足夠低的功耗密度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成和擴(kuò)展。
該研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，毫開(kāi)爾文控制系統(tǒng)對(duì)單量子比特和雙量子比特門的性能影響“微乎其微”。實(shí)驗(yàn)所觀察到的輕微保真度下降主要?dú)w因于主要?dú)w因于CMOS產(chǎn)生的寄生熱而非電噪聲，這與此前依賴室溫控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，是一個(gè)令人驚喜的積極結(jié)果。該集成的亞開(kāi)爾文CMOS平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了約10萬(wàn)個(gè)晶體管，展示了控制集成的高級(jí)水平。
圖：器件與基本CMOS操作
這些結(jié)果有力地證實(shí)了異質(zhì)毫開(kāi)爾文CMOS技術(shù)在生成控制自旋量子比特所需精確伏特級(jí)偏置和毫伏級(jí)脈沖方面的可行性。這種緊密封裝的“小芯片式”控制架構(gòu)為自旋量子比特的可擴(kuò)展控制開(kāi)辟了廣闊前景，有效利用了其固有的亞微米尺寸。利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS平臺(tái)制造工藝是實(shí)現(xiàn)硅自旋量子比特系統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛可擴(kuò)展性的關(guān)鍵因素。
成功在低溫下集成CMOS，代表了自旋量子比特可擴(kuò)展性方面的一項(xiàng)重大突破。這項(xiàng)技術(shù)有效地克服了輸入/輸出（I/O）瓶頸，利用成熟的經(jīng)典微電子技術(shù)為硅基量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模擴(kuò)展提供了一條具有前景的實(shí)用途徑。
3.5無(wú)線太赫茲低溫互連技術(shù)
2025年5月，麻省理工學(xué)院和康奈爾大學(xué)的JinchenWang及其同事在《自然·電子學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，介紹了用于量子計(jì)算的無(wú)線太赫茲低溫互連技術(shù)。
這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，專門設(shè)計(jì)用于最大限度地降低量子計(jì)算系統(tǒng)中的熱量-信息傳輸比。該架構(gòu)集成了工作在260GHz載波頻率的寬帶收發(fā)器。它具有一個(gè)“熱到冷入口”通路，利用無(wú)源冷場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）太赫茲探測(cè)器；以及一個(gè)“冷到熱出口”通路，在冷端使用超低功耗反向散射調(diào)制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸。
這項(xiàng)研究主要解決了傳統(tǒng)同軸電纜引入的顯著傳導(dǎo)熱負(fù)荷（例如，稀釋制冷機(jī)中4K級(jí)約1mW，50K級(jí)數(shù)十mW）以及光學(xué)互連（在低溫下每個(gè)被吸收的光子都可能導(dǎo)致大量發(fā)熱和準(zhǔn)粒子激發(fā)）所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。無(wú)線太赫茲方法從根本上最大限度地減少了這種熱量-信息傳輸，為高效連接低溫量子比特和室溫控制器之間的巨大溫差提供了一個(gè)關(guān)鍵解決方案。該設(shè)計(jì)采用40納米CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在4.2K溫度下，奈奎斯特輸入信噪比（SNDR）高達(dá)36.2dB，這表明其在極端低溫條件下仍能保持高數(shù)據(jù)完整性。
這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于開(kāi)發(fā)實(shí)用型、大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要，未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)將需要數(shù)千個(gè)邏輯量子比特，這可能意味著數(shù)百萬(wàn)個(gè)物理量子比特和前所未有的互連密度。它有望提供高容量、可重構(gòu)的多通道低溫互連，其運(yùn)行接近信息傳輸?shù)幕疚锢順O限。通過(guò)有效克服傳統(tǒng)電纜物理布線和熱負(fù)荷帶來(lái)的可擴(kuò)展性限制，這項(xiàng)技術(shù)為量子處理器的物理擴(kuò)展提供了直接的解決方案。
圖：經(jīng)典硬件與量子硬件之間的信息傳輸，包括現(xiàn)有互連方式的熱負(fù)荷示意圖。
這項(xiàng)技術(shù)直接解決了熱負(fù)荷和互連密度這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，通過(guò)提供高效、低熱量的數(shù)據(jù)傳輸，為量子處理器的物理擴(kuò)展開(kāi)辟了新的可能性。
3.6可互換超導(dǎo)量子比特器件的初級(jí)網(wǎng)絡(luò)
2025年7月，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的WolfgangPfaff及其同事報(bào)告了可互換超導(dǎo)量子比特器件初級(jí)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展，這項(xiàng)研究聚焦于量子處理器的模塊化擴(kuò)展架構(gòu)開(kāi)發(fā)。研究人員強(qiáng)調(diào)，單片制造的超導(dǎo)量子比特器件在系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量方面都存在限制，因此模塊化方法具有重要價(jià)值。該論文詳細(xì)描述了高效互連的技術(shù)，這是一種連接兩個(gè)超導(dǎo)量子比特器件的低損耗可拆卸電纜。他們通過(guò)“快速泵浦方案”解決了這種連接中的殘余損耗。
這項(xiàng)技術(shù)突破的核心在于開(kāi)發(fā)了一種基于低損耗可拆卸同軸電纜連接的高效互連方案，以往的方法往往由于難以兼顧低損耗和可互換性而在網(wǎng)絡(luò)能力或性能上有所妥協(xié)。研究人員通過(guò)實(shí)施快速泵浦方案，成功克服了可拆卸連接中的殘余損耗，該方案使得模塊間SWAP操作效率在100納秒內(nèi)達(dá)到99%的水平。
所開(kāi)發(fā)的方案實(shí)現(xiàn)了高保真度的模塊間糾纏生成，并可操作分布式邏輯雙軌量子比特。這項(xiàng)工作中的設(shè)備間操作錯(cuò)誤率約為1%，已達(dá)到容錯(cuò)閾值。這是一項(xiàng)重要成就，因?yàn)榇饲暗膶?shí)驗(yàn)損耗超過(guò)15%，遠(yuǎn)高于規(guī)模化所需的要求。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基本的“即插即用”量子網(wǎng)絡(luò)，其中帶有定制連接器的超導(dǎo)同軸電纜與透射量子比特電容耦合，充當(dāng)模塊化、高Q值的量子總線。
Pfaff等人的工作通過(guò)提出和演示模塊化架構(gòu)，為量子計(jì)算的可擴(kuò)展性做出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。這種模塊化架構(gòu)允許可重構(gòu)和可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于擴(kuò)展量子處理器尤為關(guān)鍵。這意味著系統(tǒng)可以通過(guò)插入預(yù)先測(cè)試好的、更高保真度的量子比特模塊進(jìn)行升級(jí)，計(jì)算能力也可以通過(guò)插入額外的模塊進(jìn)行擴(kuò)展。該研究直接解決了單片制造超導(dǎo)量子比特器件在系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量方面的限制，通過(guò)實(shí)現(xiàn)“樂(lè)高式”組裝、重新配置和擴(kuò)展，這種模塊化方法為大規(guī)模量子處理器提供了一條途徑。開(kāi)發(fā)同時(shí)允許可互換性和高保真度操作的接口是關(guān)鍵一步，這使得組件能夠無(wú)縫添加和移除，這在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中是常規(guī)操作，但在量子系統(tǒng)中一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)99%的模塊間SWAP效率和約1%的錯(cuò)誤率，意味著設(shè)備間操作已達(dá)到容錯(cuò)閾值，這一性能與超導(dǎo)量子比特電路和電纜之間的超導(dǎo)鍵合所展示的性能相媲美，展示了通往可擴(kuò)展、糾錯(cuò)量子系統(tǒng)的可行路徑。
圖：實(shí)驗(yàn)概述，說(shuō)明了將量子設(shè)備擴(kuò)展為模塊網(wǎng)絡(luò)如何允許子系統(tǒng)的重新配置或更換，強(qiáng)調(diào)了通過(guò)可拆卸鏈路在不同模塊中的量子比特之間高保真?zhèn)鬏斄孔討B(tài)的能力。
超導(dǎo)量子比特的模塊化與高保真互連技術(shù)的結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子計(jì)算提供了一條可行的工程路徑，因?yàn)樗軌驑?gòu)建可擴(kuò)展、可重構(gòu)和可升級(jí)的量子系統(tǒng)。
3.7電子-光子量子片上系統(tǒng)
2025年7月，加州大學(xué)伯克利分校、波士頓大學(xué)和西北大學(xué)的DanieliusKramnik及其同事報(bào)告了世界首個(gè)電子-光子量子片上系統(tǒng)。
研究的重點(diǎn)是將量子光源和穩(wěn)定電子元件集成到單個(gè)硅芯片上。該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生可靠的關(guān)聯(lián)光子對(duì)流，芯片包含一個(gè)“量子光源工廠”陣列，每個(gè)工廠尺寸小于一毫米見(jiàn)方，旨在生成量子態(tài)光。這些工廠利用精確設(shè)計(jì)的微環(huán)諧振器等光子器件，對(duì)于生成關(guān)聯(lián)光子流很重要。
這項(xiàng)突破性工作實(shí)現(xiàn)了世界首個(gè)電子-光子-量子片上系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)的45納米半導(dǎo)體制造工藝將量子光源和控制電子元件集成到一塊硅片上。團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)集成系統(tǒng)，能夠主動(dòng)穩(wěn)定片上硅微環(huán)諧振器。這些諧振器對(duì)溫度和制造偏差極其敏感，可能會(huì)干擾光子對(duì)的生成。
圖：實(shí)驗(yàn)中放置在探針臺(tái)顯微鏡下包含芯片的封裝電路板
該系統(tǒng)將控制直接嵌入芯片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了量子過(guò)程的實(shí)時(shí)穩(wěn)定。這是通過(guò)在諧振器內(nèi)部集成光電二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些二極管在保持量子光生成的同時(shí)監(jiān)測(cè)與入射激光的對(duì)準(zhǔn)。片上加熱器和控制邏輯持續(xù)調(diào)整諧振，以抵消漂移。該芯片是在商用45納米互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片平臺(tái)上制造的，該平臺(tái)最初由波士頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、格芯和AyarLabs緊密合作開(kāi)發(fā)。這表明該制造工藝現(xiàn)在能夠支持復(fù)雜的量子光子系統(tǒng)。該項(xiàng)目需要跨不同領(lǐng)域的緊密協(xié)調(diào)，從而在商用CMOS平臺(tái)的嚴(yán)格限制下，將電子學(xué)和量子光學(xué)作為統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。
這項(xiàng)進(jìn)展為大規(guī)?？缮a(chǎn)的“量子光源工廠”芯片以及由多個(gè)此類芯片協(xié)同工作構(gòu)建的大規(guī)模量子系統(tǒng)鋪平了道路。通過(guò)展示在商用半導(dǎo)體代工廠構(gòu)建可重復(fù)、可控量子系統(tǒng)的能力，該研究解決了將量子系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境推向可擴(kuò)展平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。每個(gè)光源內(nèi)置的穩(wěn)定反饋機(jī)制確保了盡管環(huán)境變化，系統(tǒng)仍能保持可預(yù)測(cè)的行為，這是擴(kuò)展量子系統(tǒng)的重要要求。隨著量子光子系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的增長(zhǎng)，此類芯片有望成為未來(lái)量子計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施、安全通信網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)傳感技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊。
這項(xiàng)突破驗(yàn)證了利用成熟的經(jīng)典半導(dǎo)體制造工藝大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜量子光子系統(tǒng)的可行性，為可擴(kuò)展的集成量子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
3.8超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展挑戰(zhàn)
2025年7月，來(lái)自谷歌量子人工智能（GoogleQuantumAI）的AnthonyMegrant和YuChen在《自然·電子學(xué)》的一篇評(píng)論文章中討論了擴(kuò)展超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)。他們指出，構(gòu)建一臺(tái)有用的量子計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)超導(dǎo)量子比特。
超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)在規(guī)?；瘮U(kuò)展過(guò)程中，已觀測(cè)到具有災(zāi)難性的芯片級(jí)關(guān)聯(lián)誤差現(xiàn)象。已有研究表明，這類誤差主要源于宇宙射線等高能粒子的撞擊事件，其物理機(jī)制表現(xiàn)為：當(dāng)高能粒子與芯片材料相互作用時(shí)，會(huì)激發(fā)太赫茲頻段的聲子，這些聲子與超導(dǎo)金屬作用后產(chǎn)生大量準(zhǔn)粒子（QPs）。準(zhǔn)粒子濃度的驟增會(huì)顯著抑制量子比特的能量弛豫時(shí)間（T1），導(dǎo)致量子態(tài)存儲(chǔ)失效。此類關(guān)聯(lián)誤差對(duì)表面碼等傳統(tǒng)量子糾錯(cuò)方案構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因其具有跨量子比特的關(guān)聯(lián)特性，遠(yuǎn)超現(xiàn)有糾錯(cuò)碼的設(shè)計(jì)容錯(cuò)閾值。該論文提出，模塊化量子計(jì)算架構(gòu)可有效緩解關(guān)聯(lián)性能量衰減事件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，單個(gè)模塊內(nèi)部衰減事件的關(guān)聯(lián)性高達(dá)85%以上，而物理隔離的獨(dú)立模塊間關(guān)聯(lián)性僅約2%。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)與定制化糾錯(cuò)編碼的協(xié)同優(yōu)化，有望構(gòu)建抗芯片級(jí)關(guān)聯(lián)誤差的新型量子處理器。
圖：模塊化量子處理器的布局和測(cè)量脈沖序列
當(dāng)前針對(duì)衰減事件的抑制策略主要包含五類技術(shù)路徑：增強(qiáng)輻射屏蔽、多能隙超導(dǎo)器件設(shè)計(jì)、襯底背面聲子吸收層、常規(guī)金屬準(zhǔn)粒子陷阱、噪聲環(huán)境調(diào)控。盡管其中的部分方法已降低了災(zāi)難性衰減事件的發(fā)生率，但量子態(tài)退相干過(guò)程中的關(guān)聯(lián)誤差仍未完全消除。
如Megrant與Chen所述，構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的工程挑戰(zhàn)“堪比建造歐洲核子研究中心（CERN）或激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）等大型科學(xué)設(shè)施”，必須通過(guò)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制持續(xù)推進(jìn)。
超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)在擴(kuò)展過(guò)程中面臨的核心挑戰(zhàn)——特別是宇宙射線誘發(fā)的關(guān)聯(lián)誤差問(wèn)題，凸顯出兩個(gè)關(guān)鍵發(fā)展方向：首先，必須發(fā)展模塊化架構(gòu)等創(chuàng)新性系統(tǒng)解決方案；其次，需要建立類似CERN或LIGO等大科學(xué)工程的組織模式，推動(dòng)跨學(xué)科、大規(guī)模協(xié)同攻關(guān)。這也揭示了量子計(jì)算發(fā)展的本質(zhì)特征：它不僅是量子物理與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉，更需要材料工程、高能物理、低溫技術(shù)等多學(xué)科的深度融合與協(xié)同創(chuàng)新。
結(jié)論
從PsiQuantum在光子量子計(jì)算平臺(tái)上的可制造性突破，到微軟在拓?fù)淞孔颖忍胤矫娴奶剿?，再到D-Wave在量子退火加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方面的性能優(yōu)勢(shì)，以及硅基量子比特控制中低溫CMOS集成的成功，這些成就共同描繪了一幅充滿活力的創(chuàng)新圖景。此外，無(wú)線太赫茲低溫互連技術(shù)和可互換超導(dǎo)量子比特器件的模塊化網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，直接解決了大規(guī)模量子系統(tǒng)面臨的互連和熱管理挑戰(zhàn)。同時(shí)，電子-光子片上系統(tǒng)的出現(xiàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用成熟半導(dǎo)體制造工藝實(shí)現(xiàn)量子技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)的可行性。
盡管這些進(jìn)展令人鼓舞，但貫穿所有量子計(jì)算模式的核心挑戰(zhàn)仍然是可擴(kuò)展性。無(wú)論是需要數(shù)百萬(wàn)量子比特的超導(dǎo)系統(tǒng)，還是需要克服連接密度和環(huán)境噪聲的自旋和光子系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)室演示轉(zhuǎn)化為實(shí)用級(jí)量子計(jì)算機(jī)都需要巨大的工程投入。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)面臨的類宇宙射線事件等挑戰(zhàn)，進(jìn)一步凸顯了對(duì)創(chuàng)新架構(gòu)和魯棒糾錯(cuò)方案的需求。
當(dāng)前量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)表明，克服可擴(kuò)展性障礙正日益依賴于對(duì)經(jīng)典半導(dǎo)體制造能力和模塊化架構(gòu)的戰(zhàn)略性利用。例如，光子和硅自旋量子比特領(lǐng)域都明確地將可制造性和與現(xiàn)有CMOS工藝的兼容性作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化的關(guān)鍵路徑。超導(dǎo)量子比特的模塊化設(shè)計(jì)也旨在通過(guò)“樂(lè)高式”組裝來(lái)解決規(guī)?；瘑?wèn)題。
構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)就如同建造CERN或LIGO等大型科學(xué)設(shè)施，這一比喻意在強(qiáng)調(diào)其固有的復(fù)雜性和所需的龐大資源。因此，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間持續(xù)、深入的合作，將是推動(dòng)量子計(jì)算從當(dāng)前階段邁向全面實(shí)用化的不可或缺的要素，更是實(shí)現(xiàn)未來(lái)量子技術(shù)潛力的關(guān)鍵所在。
[1]https://www.psiquantum.com/news-import/omega
[2]https://news.microsoft.com/source/features/ai/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08445-2
[4]https://arxiv.org/abs/2502.12252
[5]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6285
[6]https://www.dwavequantum.com/company/newsroom/press-release/beyond-classical-d-wave-first-to-demonstrate-quantum-supremacy-on-useful-real-world-problem/
[7]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09157-x
[8]https://diraq.com/newsdesk/quantum-partnership-yields-scalable-control-for-future-computers
[9]https://arxiv.org/pdf/2506.05244
[10]https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12240860/
[11]https://www.bu.edu/eng/2025/07/14/first-electronic-photonic-quantum-chip-created-in-commercial-foundry/
[12]https://epic-photonics.com/wp-content/uploads/2021/12/Kishor-Desai-PsiQuantum.pdf
[13]https://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2025/02/19/microsoft-unveils-majorana-1-the-worlds-first-quantum-processor-powered-by-topological-qubits/
[14]https://news.microsoft.com/source/features/innovation/microsofts-majorana-1-chip-carves-new-path-for-quantum-computing/
[15]https://doi.org/10.1038/s41928-025-01440-z
[16]https://news.northwestern.edu/stories/2025/07/first-electronic-photonic-quantum-chip-manufactured-in-commercial-foundry/
[17]https://arxiv.org/pdf/2505.15919
豪門虐戀:“傅少,太太抽屜有張?jiān)袡z單”他嘶吼:封鎖全城找到她
今日推薦：《繁華落盡終是愛(ài)你》作者：菩提花。點(diǎn)擊文末超鏈接開(kāi)始觀看吧～第十八章解釋就是掩飾因?yàn)橄娜缣m一直在強(qiáng)調(diào)照片的事情_(kāi)。但是是自己抱著夏沫沫上了車，然后送到醫(yī)院來(lái)的，然后看到她被醫(yī)生救醒。這期間，夏沫沫根本就沒(méi)有碰過(guò)手機(jī)，又何來(lái)照片一說(shuō)？在他看來(lái)，這不過(guò)是夏如蘭在自圓其謊-。這樣想著等會(huì)說(shuō)——-。
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