（来源：中国航空报）

　　在芝加哥大学大卫·奥沙洛姆教授的实验室里，研究人员拿着一块带有电子和核自旋量子比特的半导体芯片。

　　科学家们认为，量子技术正在进入一个变革性的时代，它让我们得以初步了解实用系统，同时也暴露出该领域在完全成熟之前必须克服的工程障碍。　　量子技术正迅速超越实验阶段，开始在实际应用中崭露头角。12月4日发表在《科学》杂志上的《量子信息硬件的挑战与机遇》一文指出，该领域已达到一个关键阶段，类似于晶体管出现之前计算机发展的早期阶段。　　在这篇报告中，来自芝加哥大学、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研究人员对量子信息硬件进行了全面的评估。他们的分析重点阐述了影响可扩展量子计算机、通信网络和传感设备发展的关键障碍和新兴机遇。　　论文第一作者、芝加哥大学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·奥沙洛姆表示：“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，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带来的挑战？”　　作者指出，过去十年见证了量子技术从基础概念验证实验向具有潜在实际应用价值的早期系统（例如，通信、传感和计算）的转变。他们将这一快速进展归功于学术界、政府和产业界之间的合作，这种合作模式与曾经推动微电子技术发展的合作框架如出一辙。　　报告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、模拟、网络和传感应用方面的进展，作者使用了诸如ChatGPT和Gemini等大型语言人工智能模型来评估每个平台的相对技术成熟度（TRL）。技术成熟度等级以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）的等级来评估技术的成熟度，但对于已展现出更高系统复杂性的早期技术，仍可能适用更高的技术成熟度等级。　　研究结果提供了该领域进展的对比概览。尽管先进的原型已展示了系统运行和公有云访问，但它们的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上可行的水平。　　因此，在评估技术成熟度时，背景至关重要。论文合著者、麻省理工学院电气工程与计算机科学教授、物理学教授兼量子工程中心主任威廉·D·奥利弗说道：“虽然20世纪70年代的半导体芯片在当时的技术成熟度等级为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。同样，如今量子技术的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。相反，它反映的是已经取得了显著但相对有限的系统级演示成果——而要充分发挥其潜力，仍需对其进行大幅改进和扩展。”　　技术成熟度等级最高的量子技术包括：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，量子系统要实现有效扩展，必须解决几个总体挑战。材料科学和制造工艺的重大进步是实现稳定、高质量、可大规模生产的器件所必须的，这些器件需要通过可靠且经济高效的代工工艺制造。布线和信号传输仍然是工程上的核心瓶颈；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，而随着系统扩展到数百万个量子比特，简单地增加导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，即所谓的“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。　　文章将这些工程需求与计算机发展史的经验联系起来。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出现——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的重要性，以及避免过早形成知识孤岛的共享开放科学知识体系的重要性，此外还需要耐心，文中写道，耐心是许多里程碑式发展的关键要素，也表明在量子技术领域，调整时间预期至关重要。（科学）