2025年，无疑是量子计算史上具有里程碑意义的一年。

全球量子计算的竞赛正面临一个尖锐的矛盾：“理论具有超越现实的速度优势”。一方面，新的协议和算法不断涌现；另一方面，量子机器本身却“正在撞墙”，陷入工程实现的瓶颈。

惊人的数字印证了这一紧迫性：Google量子芯片在六年内仅从53个量子比特增加到105个。按照这个速度推算，要达到通用计算所需的“100万个物理量子比特”目标将遥遥无期。核心问题在于当今量子系统的构造：“管线丛林”和离散组件的设计，使得“布线的复杂性完全压倒了量子设备本身”。

11月20日，2025年诺贝尔物理学奖获得者John Martinis在Financial Times上发表了题为”Quantum computing needs its own industrial revolution”（量子计算需要自己的工业革命）的文章，文章概括了全球量子计算的“理论先行，工程滞后”的现状，John Martinis提出了“通往可扩展计算机的道路不仅仅在于高影响力的学术论文，而是高科技设备，是一次工业革命”。

为什么“工程化”是唯一的出路？

量子计算的未来，已不再是纯粹的理论之争，而是迫在眉睫的工程挑战。John Martinis的呼吁，源于量子比特固有的脆弱性，这构成了实现通用量子计算的本质瓶颈。

（一）量子计算的本质瓶颈：退相干与误差修正

与经典比特的稳定性截然不同，量子比特对环境的干扰，如温度波动、电磁噪声等，极其敏感，容易发生“退相干”，导致存储的量子信息瞬间丢失。为了克服这一核心物理问题，业界必须迈向“容错量子计算”。要实现容错，一个逻辑量子比特往往需要数百甚至上千个物理量子比特进行冗余编码和实时纠错。

因此，像运行Shor算法或进行大规模分子模拟这类“指数级处理”任务，需要的是大规模、高保真度的物理比特集群。Martinis明确指出，要达到通用计算的门槛，至少需要“一百万个物理量子比特”作为基石。

（二）摩尔定律的失灵与量子规模的困境

经典半导体产业的成功，得益于摩尔定律及其背后平面光刻技术的可靠扩展性。然而，量子计算的规模化却面临一种“量子悖论”：复杂性不在于芯片本身，而在于支撑芯片运行的外部控制系统。

来源：Google Quantum AI

正如人们所见，“现代量子系统内部”是“一堆电线和分立元件组成的丛林”，其“布线的复杂性完全压倒了量子设备本身”。随着量子比特数量的增加，用于冷却、控制和读取的外部微波线、放大器等“管道”呈几何级或超线性增长，最终演变成“意大利面条式的控制系统”。外部连线导致的散热、空间和噪声问题，使得在低温恒温器中物理上无法容纳百万级别的控制线路。因此，用一个“集成芯片”来取代这套“意大利面条式的控制系统”，是解决量子规模化几何和热力学困境的唯一出路。

（三）产业的成熟标志：从实验室到晶圆厂

从本质上讲，量子计算的规模化意味着一场从科研模式到工业模式的产业升级。Martinis批判道，目前的超导量子比特社区仍在依赖“60年历史的剥离制造工艺”，这种过时的工艺“不够洁净，也无法扩展”。

量子计算的突破口，必须从“追逐下一个算法演示”转向对制造工艺的彻底革新。Martinis强调：“通往可扩展量子计算机的道路，铺满了高科技制造设备，而非仅仅是高影响力的论文”。这意味着必须抛弃实验室级的非标工艺，全面转向与现代智能手机中“数十亿晶体管”相匹配的“最先进的芯片制造技术”，拥抱洁净、高精度、高良率的晶圆厂模式，才能真正释放量子技术的巨大潜力。

科技巨头的破局之路

John Martinis在文章中明确指出，量子计算的规模化，要求我们必须进行一场工业革命，核心任务是利用现代工程技术取代陈旧的实验室作坊模式。这场革命的焦点集中于两大战场：低温控制电路的集成和量子芯片制造工艺的彻底转型。

（一）低温控制芯片：工程化的核心战役

Martinis提出了一个大胆的愿景：“整个意大利面条式的控制系统必须被一个单一的集成芯片取代。”这一理念的核心正是低温集成电路，通常基于低温CMOS技术。

低温集成电路是解决“导线丛林”问题的关键。它的原理是将数千路原本位于室温或4开尔文（4K）环境下的控制信号处理、脉冲生成和读出电路，下移至极低温环境，例如4K或100毫开尔文（100mK）附近。这实现了控制信号的“就地”处理，大幅减少了从室温延伸到芯片的物理导线数量。同时，它能将复杂的脉冲序列、误差修正逻辑以及信号放大功能集成到单个芯片上。这种转变是量子计算从20世纪60年代的“房间大小的主机向70年代的微芯片”过渡，而这是一项“工业工程奇迹”，而非抽象数学上的创新。

英特尔作为Cryo-CMOS技术的先驱之一，大力推进Horse Ridge II/III等低温控制芯片项目，旨在实现基于自旋量子比特和超导量子比特的全集成控制；谷歌与IBM这两家公司均在其稀释制冷机内部尝试集成定制的低温电子控制模块，这标志着控制系统正从外置、笨重的控制柜向内嵌式ASIC/FPGA转移，以实现更快的反馈回路和更高的量子操作保真度；此外，专业的低温设备制造商作为新兴力量的代表，如Oxford Instruments和Bluefors，正联合芯片公司开发模块化、可扩展的低温基础设施，旨在为未来的百万级量子系统提供标准化、工业级的环境。

图：Google Quantum AI路线图

来源：Google Quantum AI

（二）制造工艺革命：从“实验室作坊”到“晶圆代工”

Martinis直言不讳地批评了量子计算芯片目前所依赖的、已有60年历史的“剥离制造工艺”，认为这种过时的工艺“不够洁净，也无法扩展”。他强调，量子计算必须“采用最先进的芯片制造技术”，即与制造现代智能手机中数十亿晶体管相同的技术。

IBM正在利用其深厚的半导体制造基础，推动量子芯片制造的标准化和高良率。在这个月IBM的成果发布中，IBM表示其量子处理器晶圆的主要制作工作已在位于纽约州奥尔巴尼的300mm晶圆工厂中展开，以推进新一代量子芯片的量产化研究。此次IBM在300mm硅晶圆上的尝试，旨在利用成熟的晶圆代工流程，从而克服超导量子比特对洁净度极高要求的挑战。同时，Rigetti Computing公司利用其专有的晶圆厂，尝试将量子芯片制造流程化、产品化，为外部研究机构和企业提供了制造量子芯片的途径。

图：IBM研究人员手持300毫米IBM Quantum Nighthawk晶圆

来源：IBM

Martinis的最终目标是实现“每系统数百万量子比特”。然而，单块晶圆的尺寸限制、信号走线难度以及极低温环境下的热耗散问题，使得单块芯片难以直接承载如此巨大的量子比特数量。解决方案的关键在于模块化与互连。Martinis提出，在单个洁净晶圆上实现20000个高保真量子比特后，便可以通过“互连这些晶圆，实现每系统数百万量子比特的目标”。

Martinis认为：“我们拥有大部分物理学基础，现在我们需要的是工程师和技术人员。”这场工程战役的胜利，将把量子计算从“丛林般的电线”中解放出来，转化为由标准化、可扩展的低温模块化芯片构建而成的通用计算系统。

量子工业的蓝领复兴

这场由John Martinis发起的工程化呼吁，其意义早已超越了纯粹的技术指标，上升至公司战略乃至国家主权的高度。

“当经典半导体产业将其大部分制造能力转移到海外时，技术领导地位也随之转移。”这一历史教训正警示着量子计算。建设国内基础设施的承诺，其重要性“比单纯的技术指标意义更大”。量子技术不仅是科学竞赛，更是攸关国家安全和技术主权的关键基础设施，若量子芯片的制造能力和低温电子学的供应链被垄断或外包，将直接影响到密码学和军事领域的自主可控。

Martinis的呼吁带有深刻的社会价值。他以自己“蓝领家庭”的出身强调：“制造业是美国优质、可持续性就业的基石。”量子计算的工业革命，预示着就业结构的重大转变。行业对人才的需求将从纯粹的物理学家和理论家，转向高精密工程师、低温技术员和晶圆厂工艺专家。这是一场从知识经济到制造经济的回潮，一场“量子蓝领”的复兴。

为实现这一目标，资金的导向必须调整。Martinis质疑，现代文化对“最新成果和激进营销”的关注，是否使“艰巨但坦率地说不那么光彩的深层工业工程工作”更难获得资助。他呼吁将投资从“追逐下一个算法演示”转移到攻克巨大的“制造和工程挑战”上来。

全球主要力量已意识到工程化的迫切性。中国强调“举国体制”在基础设施和制造领域的优势，致力于在量子芯片制造和集成方面加速追赶；美国通过《国家量子倡议法案》等，旨在平衡基础研究与工程化投入，并强力支持国内半导体供应链，以避免重蹈经典半导体“离岸外包”的覆辙；欧洲强调“去中心化”的合作模式下，对量子制造生态系统的支持，例如在低温电子学上的积累。

最终，正如Martinis所总结的，“如果不能迅速引入所需的制造技术，我们就有可能让量子计算的潜力永远被困在导线丛林之中。”这场量子工业革命，不仅关乎计算的未来，更关乎技术领导地位的归属和制造业的复兴。

超越导线丛林，迈向通用未来

量子计算的未来，不在于理论的复杂性，而在于工程学的简洁性。

我们正处于一场伟大转折的临界点，就像从“房间大小的主机”到“微芯片”的转变。量子计算的“登月计划”已经进入倒计时，但我们需要的不是更多的理论蓝图，而是工业级的火箭和燃料，即低温集成电路和先进芯片制造工艺。

最终呼吁是明确且紧迫的：如果不能将目光从“高影响力的论文”转向“高科技制造设备”，如果不进行这场工业工程革命，量子计算的巨大潜力，将“永远被困在导线丛林之中”。这场革命不仅将带来算力革命，更将带来一次社会财富和国家力量的重塑。

我们已经有了物理学原理，现在是时候让工程师和技术人员接棒，为人类的未来点亮这束量子之光了。

参考链接

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

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

[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/