文|光子盒GZH2025年7月，光子盒研究院發(fā)布報告《2025年全球量子計算新進展深度分析》。這份報告回顧并分析了2025年開年來光子、拓撲、超導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)方面的重大進展，還探討了量子計算在擴展過程中面臨的巨大工程和環(huán)境障礙。
報告指出，這些進展表明盡管研究方法各異，但整個領(lǐng)域正趨向于解決量子系統(tǒng)可擴展性的共同目標。當前量子計算發(fā)展的主要驅(qū)動力在于如何將單個高性能量子比特擴展至數(shù)百萬個，并使其可靠地協(xié)同工作，而非僅僅提升單個量子比特的性能。
目錄
I.摘要II.引言2.12025年量子計算概覽：年度技術(shù)焦點2.2研究目的與范圍III.2025年全球量子計算重大進展3.1PsiQuantum的光量子計算平臺3.2微軟的拓撲量子比特3.3D-Wave的超導量子退火處理器3.4用于硅MOS型電子自旋量子比特的CMOS芯片控制3.5無線太赫茲低溫互連技術(shù)3.6可互換超導量子比特器件的初級網(wǎng)絡(luò)3.7電子-光量子片上系統(tǒng)3.8超導量子計算機的擴展挑戰(zhàn)IV.結(jié)論摘要
本報告旨在深入分析2025年全球量子計算領(lǐng)域取得的重大進展。2025年被聯(lián)合國定為“國際量子科學與技術(shù)年”，這凸顯了該領(lǐng)域自20世紀80年代理論起源以來的快速發(fā)展。報告詳細審視了橫跨光子、拓撲、超導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)方面的重大進展，對每項成就都進行了技術(shù)細節(jié)、創(chuàng)新點及其對可擴展性這一核心挑戰(zhàn)的影響的深入剖析。此外，報告還探討了量子計算在擴展過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（LIGO）等大型科學設(shè)施的建設(shè)相類比，強調(diào)了產(chǎn)業(yè)界與學術(shù)界持續(xù)合作的日益重要性。
本年度的進展表明，盡管研究方法各異，但整個領(lǐng)域正趨向于解決量子系統(tǒng)可擴展性的共同目標。這種趨同的焦點揭示了，當前量子計算發(fā)展的主要驅(qū)動力在于如何將單個高性能量子比特擴展至數(shù)百萬個，并使其可靠地協(xié)同工作，而非僅僅提升單個量子比特的性能。
引言2.12025年量子計算概覽：年度技術(shù)焦點
2025年是聯(lián)合國量子信息科學與技術(shù)年，對量子計算領(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80年代初量子計算概念首次提出以來，以及20世紀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，該領(lǐng)域所取得的飛速發(fā)展。近年來，量子硬件的實際形態(tài)已逐步顯現(xiàn)，學術(shù)界和工業(yè)界的研究團隊在過去一年中展示了多項強大的成果，極大地激發(fā)了人們對這項技術(shù)的興奮和期待。自2025年1月以來，這種快速發(fā)展勢頭有增無減。
量子計算從最初的理論構(gòu)想發(fā)展到如今具備強大演示能力的硬件，標志著該領(lǐng)域已從純粹的概念或小規(guī)模實驗階段邁向了更成熟的階段。當前對量子計算的期待已不再僅僅基于抽象的理論前景，而是植根于日益強大的硬件能力，這也預示著量子技術(shù)正處于發(fā)展歷程中的一個關(guān)鍵時期，即從基礎(chǔ)研究向工程實現(xiàn)和實際應(yīng)用加速轉(zhuǎn)變。
2.2研究目的與范圍
本報告旨在對2025年1月以來全球量子計算領(lǐng)域的新進展進行詳細分析，主要依據(jù)近期發(fā)表于《自然·電子學》(NatureElectronics)上的一篇社論及其引用的研究文獻。報告范圍涵蓋對每項重大成就的技術(shù)基礎(chǔ)、創(chuàng)新之處及其對量子領(lǐng)域（特別是對量子系統(tǒng)持續(xù)面臨的可擴展性挑戰(zhàn)）更廣泛影響的深入探討。
2025年全球量子計算重大進展
2025年，全球量子計算領(lǐng)域涌現(xiàn)出多項突破性進展，涵蓋了從新型量子比特制造平臺到提升系統(tǒng)可擴展性的互連技術(shù)。下表總結(jié)了本年度的主要成就：
圖：截至2025年7月全球量子計算領(lǐng)域的主要技術(shù)成就
3.1PsiQuantum的光子量子計算平臺
2025年2月，PsiQuantum公司在《自然》(Nature)雜志上發(fā)表了一項突破性研究，報告了一種可制造的光子量子計算平臺。這項核心成果圍繞其Omega芯片組展開，該芯片組專為實用級量子計算設(shè)計，將單光子量子比特與電信級硅光子技術(shù)相結(jié)合。PsiQuantum稱這種集成對于克服顯著的可擴展性挑戰(zhàn)和實現(xiàn)高保真量子互連至關(guān)重要，而后兩者都是構(gòu)建百萬量子比特系統(tǒng)所必需的要素。
該平臺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、長距離的芯片間量子比特互連。這種互連被視作實現(xiàn)規(guī)模化的關(guān)鍵推動因素，這對于許多其它的平臺而言一直是一項難以逾越的挑戰(zhàn)。PsiQuantum的方法著重于通過光子學路徑實現(xiàn)大規(guī)模、容錯量子計算機的清晰路線圖，同時利用現(xiàn)有半導體制造基礎(chǔ)設(shè)施來加速規(guī)?；M程。
圖：Omega芯片組橫截面來源：PsiQuantum
這項平臺的核心創(chuàng)新在于其“可制造性”，這標志著量子計算領(lǐng)域正從基礎(chǔ)研究向大規(guī)模量子系統(tǒng)的實際部署進行戰(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算中心，表明其致力于工業(yè)規(guī)模實施的決心。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)用于全球首個實用級量子計算機的低溫工廠，以及與美國空軍研究實驗室（ARFL）簽訂提供新型量子芯片能力的合同。
為實現(xiàn)可擴展的量子計算所需的互連高密度和低溫可靠性，該平臺采用了先進的封裝解決方案，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中介層以及晶圓級扇出工藝。通過有效利用現(xiàn)有工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，這些技術(shù)極大地促進了可制造性。
憑借其固有的可制造性以及利用現(xiàn)有半導體制造工廠的能力，光子學為實現(xiàn)容錯量子計算提供了一條充滿前景且務(wù)實的途徑。這種方法代表了一種解決復雜物理問題的工程驅(qū)動型方案，體現(xiàn)了量子硬件開發(fā)領(lǐng)域日益成熟的態(tài)勢。
3.2微軟的拓撲量子比特
2025年2月，微軟通過新聞稿宣布其“Majorana1”硬件設(shè)備成功創(chuàng)建了拓撲量子比特。Majorana1是微軟的首個量子計算芯片，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，如果得到明確證實，這些模式將成為拓撲量子比特乃至大規(guī)模拓撲量子計算機的基礎(chǔ)。該設(shè)備設(shè)計可容納八個量子比特。
圖：Majorana1來源：微軟
微軟引入了“拓撲導體”一詞來描述Majorana1中使用的這種新型材料，將其定義為一類能夠?qū)崿F(xiàn)拓撲超導性的材料，這種材料在理論上被普遍認為能有效促進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，基于拓撲導體的架構(gòu)將有助于實現(xiàn)“編織”操作，這是構(gòu)建容錯量子邏輯的關(guān)鍵操作。
基于馬約拉納費米子的量子比特被稱為拓撲量子比特，拓撲量子比特的概念最早于1997年提出，為解決傳統(tǒng)量子比特（如基于超導電路或離子阱的量子比特）所面臨的穩(wěn)定性和可擴展性挑戰(zhàn)提供了極具前景的解決方案。馬約拉納費米子是一種準粒子或特殊的物質(zhì)狀態(tài)，它對會導致量子計算機出錯的環(huán)境噪聲具有固有抗性。大致來說，這意味著信息（0和1）在空間中分布（編織），使其對噪聲（熱、電磁干擾等）的敏感性降低。這種拓撲保護有望顯著簡化量子糾錯過程，與現(xiàn)有最先進的方法相比，所需的開銷可能減少約十倍。微軟的宏偉目標是使這種架構(gòu)能夠在一個芯片上集成多達一百萬個量子比特。
然而，Majorana1的發(fā)布在科學界引發(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證據(jù)來證實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“世界上第一個由拓撲核心驅(qū)動的量子處理單元（QPU）”，但這一說法也存在爭議，因為目前公開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”的說法與《自然》論文本身相矛盾，該論文明確指出，測量結(jié)果“本身并不能確定通過干涉測量檢測到的低能態(tài)是否具有拓撲性質(zhì)”。核心困難在于，在這些設(shè)備中，很難可靠地區(qū)分拓撲馬約拉納模式和拓撲平凡的安德烈夫模式。
圖：利用tetrons實現(xiàn)容錯量子計算的路線圖來源：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，因為此前已有大量基于類似體制的半導體納米線實驗，這些實驗理論上也應(yīng)處于相同的物質(zhì)狀態(tài)。根據(jù)審稿人的意見，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讀出“可以在復雜的環(huán)形幾何結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)”，而非提供了馬約拉納零模更強、更確鑿的證據(jù)。
拓撲量子計算的高風險性質(zhì)以及圍繞微軟聲明的諸多質(zhì)疑，凸顯了在量子計算這一高度復雜且受到嚴格審查的領(lǐng)域中，科學嚴謹性和透明、可驗證證據(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也往往面臨嚴格的審查，這表明通往容錯量子計算的道路不僅關(guān)乎技術(shù)突破，更在于通過透明和可重復的結(jié)果在更廣泛的科學界建立信任與共識。
3.3D-Wave的超導量子退火處理器
2025年3月，由D-Wave研究人員領(lǐng)導的團隊在《科學》(Science)雜志上報告稱，其超導量子退火處理器在性能上超越了現(xiàn)有最先進的經(jīng)典模擬器。D-Wave的退火量子計算機可以在幾分鐘內(nèi)執(zhí)行磁性材料模擬，而使用超級計算機其精度水平需要近100萬年的時間。
圖：D-Wave的量子處理器
2025年6月，D-Wave團隊在arXiv發(fā)表論文，表示其量子退火平臺已展示出“快速高效地訓練經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）”的能力，訓練后的網(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)訓練過程被概念化為一種動態(tài)相變，系統(tǒng)從初始的自旋玻璃態(tài)演變?yōu)楦叨扔行虻挠柧殤B(tài)，通過有效消除其能量景觀中眾多不期望的局部最小值來實現(xiàn)。這一過程被生動地比喻為“砍掉不斷再生的龍首”。特別是，在D-Wave平臺上實現(xiàn)的“龍訓練”程序，允許通過一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更新，同時懲罰多個“錯誤”的能量盆地（即“龍首”）。
與經(jīng)典反向傳播方法相比，這種量子輔助訓練方法實現(xiàn)了卓越的性能擴展，表現(xiàn)出顯著更高的擴展指數(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，這種性能優(yōu)勢可能進一步提高至兩倍，盡管由于現(xiàn)有相干性限制，這尚未在當前的D-Wave設(shè)備上實現(xiàn)。此外，研究表明，即使是規(guī)模適中的量子退火器，通過一次只應(yīng)用于幾個層，也能為深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練帶來顯著益處。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出的解高度匹配的樣本。它們在涉及復雜多體量子相互作用的任務(wù)中，相對于某些基于張量網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典模擬技術(shù)展現(xiàn)出計算優(yōu)勢，尤其是在經(jīng)典方法擴展性較差的場景中。
圖：訓練方法性能對比（對數(shù)-對數(shù)坐標）
D-Wave在論文中用對數(shù)-對數(shù)坐標系直觀展示了不同訓練方法的性能比較。上圖繪制了訓練誤差率作為訓練周期數(shù)的函數(shù)，它清晰地展示了“龍訓練”（z=1.01）相對于經(jīng)典反向傳播（z=0.78）和平衡傳播（z=0.64）的優(yōu)越擴展指數(shù)。量子退火作為一種專門的量子計算范式，與通用門模型量子計算機有所不同。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)訓練等特定計算任務(wù)中實現(xiàn)了明顯的算法量子加速”。量子輔助方法與經(jīng)典方法之間擴展指數(shù)的直接比較（1.01對0.78）為這種優(yōu)勢提供了令人信服的衡量標準，表明量子退火正在成功地開辟出特定的、有價值的應(yīng)用領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，它能顯著超越經(jīng)典方法。諸多進展表明，量子計算的實際影響和量子優(yōu)勢并非完全取決于容錯通用量子計算機的全面實現(xiàn)。即使在當前的含噪中等規(guī)模量子（NISQ）時代，像退火器這樣的專用量子設(shè)備也能為優(yōu)化、機器學習等特定的復雜計算問題提供即時、切實的益處。
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，來自悉尼大學、Diraq、新南威爾士大學等研究單位的科研團隊報告稱，一種在毫開爾文溫度下運行的互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片，可用于控制硅金屬氧化物半導體（MOS）型電子自旋量子比特。
硅是實現(xiàn)量子計算極具前景的材料，這主要歸因于其與基于成熟CMOS技術(shù)的經(jīng)典控制硬件進行自然集成的內(nèi)在潛力。該研究特別評估了通過異質(zhì)集成低溫互補金屬氧化物半導體（cryo-CMOS）電路控制硅MOS型電子自旋量子比特的性能。
圖：悉尼大學開發(fā)的低溫量子控制平臺來源：Diraq
這種創(chuàng)新方法直接解決了擴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。研究團隊所提出并演示的解決方案包括將控制系統(tǒng)緊密地放置在毫開爾文溫度下的量子比特平臺附近，并通過微型互連線連接。所開發(fā)的cryo-CMOS電路在運行中展現(xiàn)出足夠低的功耗密度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模集成和擴展。
該研究的一個重要發(fā)現(xiàn)是，毫開爾文控制系統(tǒng)對單量子比特和雙量子比特門的性能影響“微乎其微”。實驗所觀察到的輕微保真度下降主要歸因于主要歸因于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)的實驗相比，是一個令人驚喜的積極結(jié)果。該集成的亞開爾文CMOS平臺結(jié)構(gòu)復雜，包含了約10萬個晶體管，展示了控制集成的高級水平。
圖：器件與基本CMOS操作
這些結(jié)果有力地證實了異質(zhì)毫開爾文CMOS技術(shù)在生成控制自旋量子比特所需精確伏特級偏置和毫伏級脈沖方面的可行性。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展控制開辟了廣闊前景，有效利用了其固有的亞微米尺寸。利用行業(yè)標準CMOS平臺制造工藝是實現(xiàn)硅自旋量子比特系統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛可擴展性的關(guān)鍵因素。
成功在低溫下集成CMOS，代表了自旋量子比特可擴展性方面的一項重大突破。這項技術(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)為硅基量子計算機的大規(guī)模擴展提供了一條具有前景的實用途徑。
3.5無線太赫茲低溫互連技術(shù)
2025年5月，麻省理工學院和康奈爾大學的JinchenWang及其同事在《自然·電子學》上發(fā)表了一項研究，介紹了用于量子計算的無線太赫茲低溫互連技術(shù)。
這項創(chuàng)新技術(shù)基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術(shù)，專門設(shè)計用于最大限度地降低量子計算系統(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“熱到冷入口”通路，利用無源冷場效應(yīng)晶體管（FET）太赫茲探測器；以及一個“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)計支持二進制相移鍵控（BPSK）和開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制，以實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸。
這項研究主要解決了傳統(tǒng)同軸電纜引入的顯著傳導熱負荷（例如，稀釋制冷機中4K級約1mW，50K級數(shù)十mW）以及光學互連（在低溫下每個被吸收的光子都可能導致大量發(fā)熱和準粒子激發(fā)）所帶來的挑戰(zhàn)。無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關(guān)鍵解決方案。該設(shè)計采用40納米CMOS技術(shù)實現(xiàn)，在4.2K溫度下，奈奎斯特輸入信噪比（SNDR）高達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。
這項技術(shù)對于開發(fā)實用型、大規(guī)模量子計算機至關(guān)重要，未來的量子計算機將需要數(shù)千個邏輯量子比特，這可能意味著數(shù)百萬個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，其運行接近信息傳輸?shù)幕疚锢順O限。通過有效克服傳統(tǒng)電纜物理布線和熱負荷帶來的可擴展性限制，這項技術(shù)為量子處理器的物理擴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)有互連方式的熱負荷示意圖。
這項技術(shù)直接解決了熱負荷和互連密度這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，通過提供高效、低熱量的數(shù)據(jù)傳輸，為量子處理器的物理擴展開辟了新的可能性。
3.6可互換超導量子比特器件的初級網(wǎng)絡(luò)
2025年7月，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的WolfgangPfaff及其同事報告了可互換超導量子比特器件初級網(wǎng)絡(luò)的進展，這項研究聚焦于量子處理器的模塊化擴展架構(gòu)開發(fā)。研究人員強調(diào)，單片制造的超導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值。該論文詳細描述了高效互連的技術(shù)，這是一種連接兩個超導量子比特器件的低損耗可拆卸電纜。他們通過“快速泵浦方案”解決了這種連接中的殘余損耗。
這項技術(shù)突破的核心在于開發(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)。研究人員通過實施快速泵浦方案，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)達到99%的水平。
所開發(fā)的方案實現(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。這項工作中的設(shè)備間操作錯誤率約為1%，已達到容錯閾值。這是一項重要成就，因為此前的實驗損耗超過15%，遠高于規(guī)模化所需的要求。實驗實現(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同軸電纜與透射量子比特電容耦合，充當模塊化、高Q值的量子總線。
Pfaff等人的工作通過提出和演示模塊化架構(gòu)，為量子計算的可擴展性做出了實質(zhì)性貢獻。這種模塊化架構(gòu)允許可重構(gòu)和可擴展的網(wǎng)絡(luò)，對于擴展量子處理器尤為關(guān)鍵。這意味著系統(tǒng)可以通過插入預先測試好的、更高保真度的量子比特模塊進行升級，計算能力也可以通過插入額外的模塊進行擴展。該研究直接解決了單片制造超導量子比特器件在系統(tǒng)尺寸和質(zhì)量方面的限制，通過實現(xiàn)“樂高式”組裝、重新配置和擴展，這種模塊化方法為大規(guī)模量子處理器提供了一條途徑。開發(fā)同時允許可互換性和高保真度操作的接口是關(guān)鍵一步，這使得組件能夠無縫添加和移除，這在經(jīng)典計算機中是常規(guī)操作，但在量子系統(tǒng)中一直是一個重大挑戰(zhàn)。實現(xiàn)99%的模塊間SWAP效率和約1%的錯誤率，意味著設(shè)備間操作已達到容錯閾值，這一性能與超導量子比特電路和電纜之間的超導鍵合所展示的性能相媲美，展示了通往可擴展、糾錯量子系統(tǒng)的可行路徑。
圖：實驗概述，說明了將量子設(shè)備擴展為模塊網(wǎng)絡(luò)如何允許子系統(tǒng)的重新配置或更換，強調(diào)了通過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。
超導量子比特的模塊化與高保真互連技術(shù)的結(jié)合，為實現(xiàn)容錯量子計算提供了一條可行的工程路徑，因為它能夠構(gòu)建可擴展、可重構(gòu)和可升級的量子系統(tǒng)。
3.7電子-光子量子片上系統(tǒng)
2025年7月，加州大學伯克利分校、波士頓大學和西北大學的DanieliusKramnik及其同事報告了世界首個電子-光子量子片上系統(tǒng)。
研究的重點是將量子光源和穩(wěn)定電子元件集成到單個硅芯片上。該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生可靠的關(guān)聯(lián)光子對流，芯片包含一個“量子光源工廠”陣列，每個工廠尺寸小于一毫米見方，旨在生成量子態(tài)光。這些工廠利用精確設(shè)計的微環(huán)諧振器等光子器件，對于生成關(guān)聯(lián)光子流很重要。
這項突破性工作實現(xiàn)了世界首個電子-光子-量子片上系統(tǒng)，利用標準的45納米半導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。團隊構(gòu)建了一個集成系統(tǒng)，能夠主動穩(wěn)定片上硅微環(huán)諧振器。這些諧振器對溫度和制造偏差極其敏感，可能會干擾光子對的生成。
圖：實驗中放置在探針臺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，實現(xiàn)了量子過程的實時穩(wěn)定。這是通過在諧振器內(nèi)部集成光電二極管來實現(xiàn)的，這些二極管在保持量子光生成的同時監(jiān)測與入射激光的對準。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納米互補金屬氧化物半導體（CMOS）芯片平臺上制造的，該平臺最初由波士頓大學、加州大學伯克利分校、格芯和AyarLabs緊密合作開發(fā)。這表明該制造工藝現(xiàn)在能夠支持復雜的量子光子系統(tǒng)。該項目需要跨不同領(lǐng)域的緊密協(xié)調(diào)，從而在商用CMOS平臺的嚴格限制下，將電子學和量子光學作為統(tǒng)一系統(tǒng)進行協(xié)同設(shè)計。
這項進展為大規(guī)?？缮a(chǎn)的“量子光源工廠”芯片以及由多個此類芯片協(xié)同工作構(gòu)建的大規(guī)模量子系統(tǒng)鋪平了道路。通過展示在商用半導體代工廠構(gòu)建可重復、可控量子系統(tǒng)的能力，該研究解決了將量子系統(tǒng)從實驗室環(huán)境推向可擴展平臺的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。每個光源內(nèi)置的穩(wěn)定反饋機制確保了盡管環(huán)境變化，系統(tǒng)仍能保持可預測的行為，這是擴展量子系統(tǒng)的重要要求。隨著量子光子系統(tǒng)規(guī)模和復雜性的增長，此類芯片有望成為未來量子計算基礎(chǔ)設(shè)施、安全通信網(wǎng)絡(luò)和先進傳感技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊。
這項突破驗證了利用成熟的經(jīng)典半導體制造工藝大規(guī)模生產(chǎn)復雜量子光子系統(tǒng)的可行性，為可擴展的集成量子技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
3.8超導量子計算機的擴展挑戰(zhàn)
2025年7月，來自谷歌量子人工智能（GoogleQuantumAI）的AnthonyMegrant和YuChen在《自然·電子學》的一篇評論文章中討論了擴展超導量子計算機所面臨的挑戰(zhàn)。他們指出，構(gòu)建一臺有用的量子計算機可能需要數(shù)百萬個超導量子比特。
超導量子比特系統(tǒng)在規(guī)模化擴展過程中，已觀測到具有災難性的芯片級關(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，其物理機制表現(xiàn)為：當高能粒子與芯片材料相互作用時，會激發(fā)太赫茲頻段的聲子，這些聲子與超導金屬作用后產(chǎn)生大量準粒子（QPs）。準粒子濃度的驟增會顯著抑制量子比特的能量弛豫時間（T1），導致量子態(tài)存儲失效。此類關(guān)聯(lián)誤差對表面碼等傳統(tǒng)量子糾錯方案構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)，因其具有跨量子比特的關(guān)聯(lián)特性，遠超現(xiàn)有糾錯碼的設(shè)計容錯閾值。該論文提出，模塊化量子計算架構(gòu)可有效緩解關(guān)聯(lián)性能量衰減事件。實驗數(shù)據(jù)顯示，單個模塊內(nèi)部衰減事件的關(guān)聯(lián)性高達85%以上，而物理隔離的獨立模塊間關(guān)聯(lián)性僅約2%。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過模塊化設(shè)計與定制化糾錯編碼的協(xié)同優(yōu)化，有望構(gòu)建抗芯片級關(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量脈沖序列
當前針對衰減事件的抑制策略主要包含五類技術(shù)路徑：增強輻射屏蔽、多能隙超導器件設(shè)計、襯底背面聲子吸收層、常規(guī)金屬準粒子陷阱、噪聲環(huán)境調(diào)控。盡管其中的部分方法已降低了災難性衰減事件的發(fā)生率，但量子態(tài)退相干過程中的關(guān)聯(lián)誤差仍未完全消除。
如Megrant與Chen所述，構(gòu)建容錯量子計算機的工程挑戰(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（LIGO）等大型科學設(shè)施”，必須通過產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新機制持續(xù)推進。
超導量子計算機在擴展過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)誤差問題，凸顯出兩個關(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等大科學工程的組織模式，推動跨學科、大規(guī)模協(xié)同攻關(guān)。這也揭示了量子計算發(fā)展的本質(zhì)特征：它不僅是量子物理與計算機科學的交叉，更需要材料工程、高能物理、低溫技術(shù)等多學科的深度融合與協(xié)同創(chuàng)新。
結(jié)論
從PsiQuantum在光子量子計算平臺上的可制造性突破，到微軟在拓撲量子比特方面的探索，再到D-Wave在量子退火加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練方面的性能優(yōu)勢，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，無線太赫茲低溫互連技術(shù)和可互換超導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，電子-光子片上系統(tǒng)的出現(xiàn)，進一步驗證了利用成熟半導體制造工藝實現(xiàn)量子技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)的可行性。
盡管這些進展令人鼓舞，但貫穿所有量子計算模式的核心挑戰(zhàn)仍然是可擴展性。無論是需要數(shù)百萬量子比特的超導系統(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)，將實驗室演示轉(zhuǎn)化為實用級量子計算機都需要巨大的工程投入。超導量子計算機面臨的類宇宙射線事件等挑戰(zhàn)，進一步凸顯了對創(chuàng)新架構(gòu)和魯棒糾錯方案的需求。
當前量子計算領(lǐng)域的發(fā)展趨勢表明，克服可擴展性障礙正日益依賴于對經(jīng)典半導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現(xiàn)大規(guī)模化的關(guān)鍵路徑。超導量子比特的模塊化設(shè)計也旨在通過“樂高式”組裝來解決規(guī)?；瘑栴}。
構(gòu)建容錯量子計算機就如同建造CERN或LIGO等大型科學設(shè)施，這一比喻意在強調(diào)其固有的復雜性和所需的龐大資源。因此，產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界之間持續(xù)、深入的合作，將是推動量子計算從當前階段邁向全面實用化的不可或缺的要素，更是實現(xiàn)未來量子技術(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
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