首页技术中心技术动态量子技术正从实验室走向生活，但要实现广泛应用仍需数年时间。

量子技术正从实验室走向生活，但要实现广泛应用仍需数年时间。

发布时间：2025-12-16 17:10:15 阅读数： 234

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在芝加哥大学大卫·奥沙洛姆教授的实验室里，一名学生手持一块带有电子和核自旋量子比特的半导体芯片。

量子技术正在加速从实验室走向现实世界，一篇新文章指出，该领域现在正处于一个转折点——类似于晶体管和现代计算机出现之前的早期计算机时代。

这篇由芝加哥大学、斯坦福大学、麻省理工学院、奥地利因斯布鲁克大学和荷兰代尔夫特理工大学的科学家共同撰写的文章，对快速发展的量子信息硬件领域进行了评估，概述了塑造可扩展量子计算机、网络和传感器的主要挑战和机遇。该论文发表在《科学》杂志上。

“量子技术的这一变革性时刻让人想起晶体管的早期发展阶段，”论文第一作者、芝加哥大学刘氏家族分子工程与物理学教授、芝加哥量子交易所和芝加哥量子研究所主任大卫·奥沙洛姆说道。

“基础物理概念已经确立，功能系统也已存在，现在我们必须培育必要的伙伴关系和协调努力，才能充分发挥这项技术的实用规模潜力。我们将如何应对扩展性和模块化量子架构的挑战？”

过去十年间，量子技术已从基础实验室演示发展成为能够在通信、传感和计算等领域实现早期实际应用的系统。作者指出，这种快速成熟得益于与微电子技术兴起时相同的三方合作：学术界、政府和产业界之间的紧密联系。

平台比较

本文概述了六种领先的量子硬件平台的现状，包括超导量子比特、囚禁离子、自旋缺陷、半导体量子点、中性原子和光子量子比特。

为了比较这些平台在计算、仿真、网络和传感应用领域的进展，作者使用了诸如 ChatGPT 和 Gemini 等大型语言人工智能模型来评估各自的技术成熟度等级 (TRL)。TRL 用于评估技术的成熟度，等级从 1（在实验室环境中观察到的基本原理）到 9（在运行环境中得到验证），但更高的 TRL 也可能适用于已展现出更高系统复杂性的早期技术。

研究结果提供了该领域进展的对比概览。尽管先进的原型系统已展示了系统运行和公有云访问能力，但其原始性能仍处于早期开发阶段。例如，许多重要的应用，包括大规模量子化学模拟，可能需要数百万个物理量子比特，其误差性能远远超出目前技术所能达到的水平。

因此，在评估技术准备情况时，背景至关重要。该研究的合著者威廉·D·奥利弗（William D. Oliver）说道，他是麻省理工学院亨利·埃利斯·沃伦（Henry Ellis Warren，1894 年）电气工程和计算机科学教授、物理学教授，以及量子工程中心主任。

“虽然上世纪70年代的半导体芯片在当时的技术成熟度等级（TRL）为9级，但与如今先进的集成电路相比，它们的功能却非常有限，”他说道。“同样，如今量子技术的较高技术成熟度等级并不意味着最终目标已经实现，也不意味着科学研究已经完成，只剩下工程技术方面的问题。相反，它反映的是一项意义重大但相对有限的系统级演示——这项演示仍需大幅改进和扩展，才能充分发挥其潜力。”

通过回顾历史来评估挑战

TRL 得分最高的分别是：用于量子计算的超导量子比特、用于量子模拟的中性原子、用于量子网络的光子量子比特以及用于量子传感的自旋缺陷。

作者指出，要使量子系统有效扩展，必须解决几个总体性挑战。材料科学和制造技术需要取得重大进展，才能制造出稳定、高质量、可大规模生产的器件，并通过可靠且经济高效的代工工艺进行制造。

布线和信号传输仍然是工程设计的核心瓶颈；大多数量子平台仍然需要为大多数量子比特配备独立的控制通道，而随着这些系统试图扩展到数百万个量子比特，简单地增加布线数量是不可持续的。（计算机工程师在20世纪60年代也面临过类似的问题，被称为“数字的暴政”。）电源传输、温度管理、自动校准和系统控制都带来了相关的挑战，随着系统复杂性的增加，这些挑战需要持续的进步。

本文将这些工程需求与计算机发展史的经验教训联系起来。经典电子学中许多最具变革性的发展——从光刻技术的引入到新型晶体管材料的问世——都经历了数年甚至数十年的时间才从实验室研究过渡到工业应用。作者认为，量子技术的发展也将遵循类似的轨迹。他们强调了系统级自上而下设计策略、避免过早形成知识孤岛的共享开放科学知识体系以及耐心等因素的重要性。

他们写道：“耐心一直是许多里程碑式发展的关键因素，这表明在量子技术领域，调整时间表预期非常重要。”