諾獎得主John Martinis：量子計算突破口不應只是論文！而是需要芯片工業革命

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：“理論具有超越現實的速度優勢”。一方面，

新的協議和算法不斷涌現

量子機器本身卻“正在撞墻”，陷入工程實現的瓶頸

驚人的數字印證了這一緊迫性：Google量子芯片在六年內僅從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的構造：“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。John Martinis的呼吁，源于量子比特固有的脆弱性，這構成了實現通用量子計算的本質瓶頸。

（一）量子計算的本質瓶頸：退相干與誤差修正

與經典比特的穩定性截然不同，量子比特對環境的干擾，如溫度波動、電磁噪聲等，極其敏感，容易發生“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，業界必須邁向“容錯量子計算”。要實現容錯，一個邏輯量子比特往往需要數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算法或進行大規模分子模擬這類“指數級處理”任務，需要的是大規模、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模的困境

經典半導體產業的成功，得益于摩爾定律及其背后平面光刻技術的可靠擴展性。然而，量子計算的規模化卻面臨一種“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。

來源：Google Quantum AI

正如人們所見，“現代量子系統內部”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”。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”，是解決量子規模化幾何和熱力學困境的唯一出路。

（三）產業的成熟標志：從實驗室到晶圓廠

從本質上講，量子計算的規模化意味著一場從科研模式到工業模式的產業升級。Martinis批判道，目前的超導量子比特社區仍在依賴“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”轉向對制造工藝的徹底革新。Martinis強調：“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，全面轉向與現代智能手機中“數十億晶體管”相匹配的“最先進的芯片制造技術”，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，量子計算的規模化，要求我們必須進行一場工業革命，核心任務是利用現代工程技術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場：低溫控制電路的集成和量子芯片制造工藝的徹底轉型。

（一）低溫控制芯片：工程化的核心戰役

Martinis提出了一個大膽的愿景：“整個意大利面條式的控制系統必須被一個單一的集成芯片取代。”這一理念的核心正是低溫集成電路，通常基于低溫CMOS技術。

低溫集成電路是解決“導線叢林”問題的關鍵。它的原理是將數千路原本位于室溫或4開爾文（4K）環境下的控制信號處理、脈沖生成和讀出電路，下移至極低溫環境，例如4K或100毫開爾文（100mK）附近。這實現了控制信號的“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“工業工程奇跡”，而非抽象數學上的創新。

英特爾作為Cryo-CMOS技術的先驅之一，大力推進Horse Ridge II/III等低溫控制芯片項目，旨在實現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部嘗試集成定制的低溫電子控制模塊，這標志著控制系統正從外置、笨重的控制柜向內嵌式ASIC/FPGA轉移，以實現更快的反饋回路和更高的量子操作保真度；此外，專業的低溫設備制造商作為新興力量的代表，如Oxford Instruments和Bluefors，正聯合芯片公司開發模塊化、可擴展的低溫基礎設施，旨在為未來的百萬級量子系統提供標準化、工業級的環境。

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，量子計算必須“采用最先進的芯片制造技術”，即與制造現代智能手機中數十億晶體管相同的技術。

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。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、產品化，為外部研究機構和企業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“每系統數百萬量子比特”。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量。解決方案的關鍵在于模塊化與互連。Martinis提出，在單個潔凈晶圓上實現20000個高保真量子比特后，便可以通過“互連這些晶圓，實現每系統數百萬量子比特的目標”。

Martinis認為：“我們擁有大部分物理學基礎，現在我們需要的是工程師和技術人員。”這場工程戰役的勝利，將把量子計算從“叢林般的電線”中解放出來，轉化為由標準化、可擴展的低溫模塊化芯片構建而成的通用計算系統。

量子工業的藍領復興

這場由John Martinis發起的工程化呼吁，其意義早已超越了純粹的技術指標，上升至公司戰略乃至國家主權的高度。

“當經典半導體產業將其大部分制造能力轉移到海外時，技術領導地位也隨之轉移。”這一歷史教訓正警示著量子計算。建設國內基礎設施的承諾，其重要性“比單純的技術指標意義更大”。量子技術不僅是科學競賽，更是攸關國家安全和技術主權的關鍵基礎設施，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：“制造業是美國優質、可持續性就業的基石。”量子計算的工業革命，預示著就業結構的重大轉變。行業對人才的需求將從純粹的物理學家和理論家，轉向高精密工程師、低溫技術員和晶圓廠工藝專家。這是一場從知識經濟到制造經濟的回潮，一場“量子藍領”的復興。

為實現這一目標，資金的導向必須調整。Martinis質疑，現代文化對“最新成果和激進營銷”的關注，是否使“艱巨但坦率地說不那么光彩的深層工業工程工作”更難獲得資助。他呼吁將投資從“追逐下一個算法演示”轉移到攻克巨大的“制造和工程挑戰”上來。

全球主要力量已意識到工程化的迫切性。中國強調“舉國體制”在基礎設施和制造領域的優勢，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，并強力支持國內半導體供應鏈，以避免重蹈經典半導體“離岸外包”的覆轍；歐洲強調“去中心化”的合作模式下，對量子制造生態系統的支持，例如在低溫電子學上的積累。

最終，正如Martinis所總結的，“如果不能迅速引入所需的制造技術，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。”這場量子工業革命，不僅關乎計算的未來，更關乎技術領導地位的歸屬和制造業的復興。

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折的臨界點，就像從“房間大小的主機”到“微芯片”的轉變。量子計算的“登月計劃”已經進入倒計時，但我們需要的不是更多的理論藍圖，而是工業級的火箭和燃料，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”轉向“高科技制造設備”，如果不進行這場工業工程革命，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。

我們已經有了物理學原理，現在是時候讓工程師和技術人員接棒，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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