科学家称，量子技术已迎来“晶体管时刻”

该论文由来自芝加哥大学、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共同撰写。论文探讨了量子信息硬件的现状，并重点分析了在构建可扩展量子计算机、通信网络和传感系统过程中的关键机遇与障碍。

芝加哥大学分子工程与物理学利乌家族教授、芝加哥量子交易所和芝加哥量子研究所所长、论文主要作者大卫·阿瓦沙隆表示：“量子技术的这一变革时刻让人想起晶体管诞生初期。基础物理概念已确立，功能系统已存在，现在我们必须培育必要的合作伙伴关系和协调努力，以实现该技术的全部实用规模潜力。我们将如何应对可扩展和模块化量子架构的挑战？”

从实验室实验到早期实际应用
在过去十年中，量子技术已从概念验证实验发展到能够支持通信、传感和计算领域早期应用的系统。作者将这一快速进展归功于大学、政府机构和行业之间的密切合作，这种合作模式与20世纪微电子学成熟所依赖的合作模式相同。

当今量子硬件平台比较
该研究回顾了六大量子硬件平台：超导量子比特、被困离子、自旋缺陷、半导体量子点、中性原子和光学光子量子比特。为比较每个平台在计算、模拟、网络和传感方面的进展程度，研究人员使用了ChatGPT和Gemini等大型语言AI模型来评估技术就绪度（TRL）。

技术就绪度（TRL）用于衡量技术的成熟度，等级从1（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）。较高的TRL并不一定意味着技术即将广泛应用，而是表明它已展示出更完整的系统功能。

分析呈现了该领域当前的状况。虽然一些先进原型已能作为完整系统运行，并可通过公共云平台访问，但其整体性能仍有限。许多高影响力应用，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，且错误率远低于当前技术所能支持的水平。

为何技术就绪度需要结合背景
麻省理工学院电气工程与计算机科学亨利·埃利斯·沃伦（1894）教授、物理学教授、量子工程中心主任、合著者威廉·D·奥利弗解释说，脱离历史背景评估就绪度可能会产生误导。

“20世纪70年代的半导体芯片在当时达到了TRL-9，但与今天的先进集成电路相比，它们能做的事情非常有限，”他说，“同样，如今量子技术的高TRL并不表明最终目标已实现，也不表明科学已完成，只剩下工程问题。相反，它反映了已实现了显著但相对适度的系统级演示——仍需大幅改进和扩展才能实现全部潜力。”

扩展挑战与计算历史经验
在研究的平台中，超导量子比特在量子计算方面得分最高，中性原子在量子模拟方面领先，光子量子比特在量子网络方面排名最高，自旋缺陷在量子传感方面表现最佳。

作者指出了量子系统有效扩展必须克服的几个主要障碍。需要材料科学和制造方面的进展，以生产出可可靠且大规模制造的一致、高质量器件。布线和信号传输仍是主要工程挑战，因为大多数平台仍依赖每个量子比特的单独控制线。随着系统向数百万个量子比特发展，仅增加更多布线变得不切实际（20世纪60年代计算机工程师也面临类似问题，即所谓的‘数字暴政’）。电源管理、温度控制、自动校准和系统级协调带来了额外挑战，这些挑战将随着量子系统变得更加复杂而加剧。

论文将其与经典电子学的长期发展历程进行了类比。许多变革性突破，包括光刻技术和新型晶体管材料，从研究实验室到工业生产花了数年甚至数十年时间。作者认为，量子技术可能会遵循类似的路径。他们强调需要自上而下的系统设计、避免早期碎片化的开放科学合作以及现实的期望。

“耐心是许多里程碑式发展的关键因素，并指出在量子技术中调整时间线预期的重要性。”他们写道。