近年来，量子计算领域经历了快速增长，技术进步和大规模投资频繁登上新闻头条。联合国将2025年定为国际量子科学与技术年。因此，量子计算迅速成为全球竞赛。全球私营企业和政府纷纷争相打造世界上第一台全尺寸量子计算机。

这种特定的“仪式感”往往预示着产业发展的重要阶段。长期以来，量子计算一直徘徊在“明天就实现”与“永远二十年”的悖论中。

然而，随着量子计算成为全球竞赛，全球私营企业和政府纷纷争相打造世界上第一台全尺寸量子计算机。要实现这一点，首先我们需要稳定且可扩展的量子处理器，也就是芯片。

根据近期量子芯片发展进展不难发现，量子芯片的底层逻辑正在发生根本性扭转，那就是，量子芯片也正在从追求“物理比特”的数量转向“高保真度逻辑比特”与“模块化可扩展架构”。

简单来说，量子计算正在经历它的“晶体管时刻”。

高保真度逻辑比特

量子芯片，通常被称为量子处理单元（QPU），是利用量子纠缠和量子叠加等量子力学原理进行信息处理的核心部件。

传统芯片基于经典物理学原理，基本信息处理单位为比特，每个比特只能取值0或1，而量子芯片的基本信息处理单位为量子比特，每个量子比特可以为0或1，或两者的叠加态。这一特性使得量子处理器在处理复杂数据集时具备指数级加速潜力，甚至远超当前最强大的经典超级计算机。

如，谷歌的“量子回声”算法，在Willow量子芯片上运行速度比最快超级计算机Frontier快13000倍。

可以说，拥有量子芯片就意味着拥有了指数级增长的数据处理能力。尽管量子计算机并不会完全取代普通电脑，但在处理医学模拟、复杂化学反应和材料科学等特定领域的问题时，量子芯片展现出的“量子霸权”或“量子优势”是传统算力无法企及的。

这也侧面说明，量子芯片称得上是量子计算的“大脑”。

当前量子芯片的发展正处于从“物理量子比特”向“逻辑量子比特”过渡的关键期。研究人员发现，仅仅堆叠量子比特的数量并不足以提升算力，关键参数在于“保真度”。

量子芯片通常通过超导器件、半导体或光子学等物理平台实现，其中，基于硅的量子芯片架构因其与传统半导体工艺的高兼容性而备受关注。

2024年，Oxford Ionics研究人员采用了一种创新的嵌入式策略，将业界公认的高效量子比特技术离子阱技术与硅芯片技术相结合。这一集成解决方案使得量子比特的控制组件能够直接嵌入到硅片中，从而可以利用现有的标准半导体制造设施和工艺，实现量子计算机的大规模生产。

2025年，悉尼初创公司SQC利用全新的“14/15”架构（得名于元素周期表第14位硅和第15位磷），打造出了有史以来最精确的芯片，实现了原子级精度的控制。该架构将磷原子精确放置在纯硅晶圆中，特征尺寸仅为0.13纳米，比传统台积电工艺低两个数量级。

来源：yucelyilmaz/Getty Images

该芯片在11个量子比特中达到99.99%的保真度，创下新纪录。这一进步主要得益于对量子退相干问题的控制，通过优化材料缺陷、电磁场控制和温度稳定性，将量子态维持时间从微秒级提升至毫秒级。这意味着其在量子纠错和误差缓解方面达到了世界领先水平。这一成果已于12月17日发表于国际期刊《Nature》。

可见，量子芯片拥有多少量子比特远不如量子比特的质量重要。追求更高保真度可以说是一个反复出现且必须攻克的难题。

目前，全球主要的量子芯片开发者，包括谷歌、IBM、SQC等，正在将关注点从单纯的量子比特数量转向逻辑量子比特的构建。

模块化可扩展架构

构建一台实用化的通用量子计算机，需要至少数百万个高质量的量子比特。如何将几十、几百个量子比特的芯片，可靠地扩展至百万量级，是横亘在“实验室”与“产业化”之间的巨大鸿沟。

传统“单片集成”的思路面临物理极限和工程瓶颈，芯片尺寸越大，控制线路越复杂，量子比特间的串扰越严重，保持整体一致性的难度呈指数级上升。

近年来，模块化量子架构脱颖而出。其核心逻辑类比于经典计算中的集群——与其执着于制造一个无比庞大的单一芯片，不如制造大量高性能、标准化的小型量子芯片模块，再将它们通过量子互连技术“拼接”起来，协同工作。

这一路径的优势显而易见：

-制造可行性：小型芯片的制造良率更高，更容易实现高精度控制和低错误率。

-灵活性与容错：模块化架构本身具有冗余性。单个模块的故障不会导致整个系统崩溃，可以通过软件调度进行隔离和替代。模块化系统能够容忍硬件不完美，从而实现更稳健的扩展。

-分布式计算潜力：模块之间可以通过量子互连共享量子态，从而实现分布式量子计算。

芯片级控制技术的微型化的重大进展正是模块化量子架构的最好证明。

研究人员开发了一款极其微小的芯片，能够以前所未有的精度控制激光频率，同时功耗远低于现有系统。该芯片采用标准半导体工艺制造，为大规模生产铺平了道路，并有可能解锁规模庞大、能力巨大的量子机器。

来源：Jake Freedman

该芯片大小不超过微芯片，解决了量子计算中最持久的挑战之一，即对量子比特的稳定、精确控制的需求。传统配置依赖于笨重且耗电的设备，限制了可扩展性。通过将先进的频率控制集成到紧凑型结构中，该装置有望实现数千甚至数百万量子比特量子处理器的诞生，远超当前的限制。

与经典计算革命的比较不可避免。正如微处理器在1970年代改变了个人计算，这款量子芯片也能催化类似的飞跃。

总之，该技术与现有芯片制造技术的兼容性意味着它可以大规模生产，无需定制且昂贵的组装。这一转变可能使量子计算的普及化，使更多公司和研究机构能够进行实验和创新。

此外，加州大学河滨分校的研究人员展示了模块化架构如何容忍不完美，使量子计算机能够在没有完美硬件的情况下成长。这与新芯片的大规模生产性完美契合，预示着未来量子系统将像乐高积木一样组装。

规模化芯片设计

在量子计算的下半场，巨头们纷纷加入“谁能率先实现规模化芯片设计”的竞赛之中。这博弈成为谁能率先定义量子时代“标准模具”的重要一战。

谷歌新款量子芯片Willow，最明显的是体现了向紧凑、可扩展设计的转变。Willow的核心独特性在于，它是一款旨在“在扩展过程中显著减少错误”的处理器。谷歌的战略路径非常清晰，不再盲目追求比特总数，而是优先提升比特的质量及其相互作用的稳定性。

这一战略调整证明了，当错误率降至临界阈值以下时，即使是规模适中的芯片，在处理特定任务时的表现也能让现有的超级计算机“望尘莫及”，即将数千年的计算时间缩短至几分钟。

与谷歌的工程改良不同，微软走的是一条更为激进的“拓扑量子”路径。其Majorana 1硬件利用奇特的准粒子编码信息，从物理底层提供免受噪声影响的保护。如果这一路线被证明可行，它将极大减少纠错所需的物理比特数量。微软的赌注在于，通过一种更稳定的逻辑比特架构，实现比传统设计更小、更紧凑的大型量子机器。

作为首个公开描述实现此类拓扑量子比特的设备，Majorana 1代表了一种高风险、高回报的底层创新，其目标是跳过复杂的外部纠错逻辑，直接在物理层面实现容错。

图：Majorana 1

来源：微软

以Andrew Houck为首的普林斯顿团队则从工程布局角度给出了答案。他们的新型芯片专注于如何管理数千个超导元件在单芯片上的串扰和布线难题，使得成百上千个元件在单一模具上的连接性与布局。

这代表了学术界已开始严肃思考量子芯片的可制造性难题，确保量子比特能够在一个密集、工业化的环境中和谐共存。

与此同时，中国在光子量子芯片领域的突破为行业提供了另一种极具竞争力的可能。

光子学路径利用光子作为载体，提供了一种在室温或接近室温下作的方法，并能直接借鉴成熟的半导体制造和光互连技术。据资料显示，中国的量子光子芯片，其能力达到了现有设计的1000倍，将其定位为全球光学量子计算竞赛中的潜在飞跃。

考虑到英伟达等经典计算巨头正在光子加速器领域投入重金，光子量子芯片有望与先进的民用光网络硬件实现供应链同步，从而极大缩短从原型到大规模部署的周期。

这场多线并进的巨头博弈，本质上是量子计算从“单体手工作坊”向“标准化模块生产”的转移。

结语

量子芯片的技术突破正在重构计算世界的底层逻辑，其对量子计算的革新不仅体现在算力边界的扩张，更在于为人类解决复杂问题提供了全新的技术范式。

目前，我们正处于量子计算发展史上一个极其关键的节点。决定未来的，将不再是实验室里炫技式的“量子霸权”演示，而是谁的设计方案能被大规模复制、谁的接口能实现标准化、谁的控制协议能被现有基础设施信任。

这一决定性因素的变化，本质上是科学向工程的低头，也是技术向商业的靠拢。虽然前方仍有多种架构的激烈竞争和物理层面的不确定性，但“模块化、芯片化”的共识可以说正在或者已经达成。

对于中国而言，这既是挑战，也是弯道超车的机会。在单点突破之后，如何利用我们在半导体产业链、光子集成领域的积累，推动量子芯片走向“可制造”的深水区，将是一个重要课题。

参考链接

[1]https://www.webpronews.com/tiny-chip-enables-scalable-quantum-computing-with-millions-of-qubits/

[2]https://www.msn.com/en-us/news/technology/a-tiny-new-chip-design-could-accelerate-quantum-progress/ar-AA1Tdq4M?cvid=ffd2f3cf80434b07b42620684e7f84ae&ei=16

[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251226045341.htm

[4]https://www.livescience.com/technology/computing/scientists-build-most-accurate-quantum-computing-chip-ever-thanks-to-new-silicon-based-computing-architecture

[5]https://theconversation.com/2025-will-see-huge-advances-in-quantum-computing-so-what-is-a-quantum-chip-and-how-does-it-work-246336