Princeton 领衔 $27.9M NSF 研究所 MARQUIS：超导量子计算的"材料之困"与制造突围
Princeton 领衔 $27.9M NSF 研究所 MARQUIS：超导量子计算的"材料之困"与制造突围
> 2026 年 8 月 25 日，美国国家科学基金会（NSF）宣布新一轮 2.9 亿美元量子飞跃挑战研究所计划，其中 Princeton 大学将牵头 MARQUIS 研究所，获得 5 年 2790 万美元资助，目标直指超导量子处理器制造的核心瓶颈——Josephson 结。这不是又一篇量子优越的论文，而是一次从"实验室手工打造"到"半导体工厂量产"的制造范式转移。
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🔬 25 年的材料停滞：量子计算的"约瑟夫森结之困"
要理解 MARQUIS 的使命，需要先认识 Josephson 结——这个仅有几原子层厚度的三明治结构，是几乎所有超导量子比特的心脏。
Josephson 结由三层金属堆叠而成：两侧是超导体，中间夹着一层薄到仅有几个原子厚度的氧化绝缘层。成对的电子（库珀对）会量子隧穿通过这层绝缘屏障，形成一个可以被精确操控以处理量子信息的非线性电感元件。它的质量直接决定量子比特的相干时间、保真度和可扩展性。
问题在于：过去 25 年里，整个行业一直在用本质上相同的材料技术制造 Josephson 结——铝 + 氧化铝，通过聚合物 stencil mask 形成图案。这种方法对于学术实验室的原型机和小规模系统足够有效，但要从几十量子比特扩展到几千、几万量子比特，就必须重新发明最基础的制造元素。
Princeton 电气与计算机工程教授、MARQUIS 所长 Nathalie de Leon 的表述毫不留情："整个社区已经用了大约四分之一个世纪本质上相同的材料技术。那种技术对实验原型和小规模系统运行良好。但要建造在科学上有用的规模的量子计算机，最基本的元素必须被重新发明。"
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🏛️ MARQUIS 的跨学科版图：当量子物理遇见半导体工厂
MARQUIS（Manufacturable and Resilient superconducting Quantum Information Systems）的独特之处，在于它不是一个纯物理研究所，而是一个横跨材料科学、量子器件和半导体加工三大领域的制造攻关联盟。
九家研究机构的二十多个实验室共同参与，覆盖从基础材料表征到晶圆级工艺集成的全链条。顾问委员会则汇集了 Google Quantum AI、NVIDIA、Applied Materials、Oxford Instruments、Bluefors、Imec 和 MIT Lincoln Laboratory——这是学术界与产业界在量子制造领域最深度的联姻之一。
Cornell 物理学家 Valla Fatemi 作为副所长，其团队已在相关领域取得关键进展：他们使用氪气在 200°C 下将钽沉积在硅上，使工艺更兼容半导体制造；还开发了利用刻蚀硅沟槽制造 Josephson 结的无抗蚀剂方法，减少污染并开拓了新材料和制造工艺的可能性。
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⚗️ 为什么 Josephson 结必须被重新发明？
传统铝/氧化铝 Josephson 结的问题不是"不能用"，而是"不能规模化"。
第一，材料损耗。铝氧化物的介电损耗限制了量子比特的相干时间。de Leon 团队去年的成果已经证明，通过重新想象 Josephson 结的材料体系，可以将量子比特性能提升到领先工业芯片的 15 倍——这是该领域十多年来最大的进展。
第二，制造兼容性。超导量子比特目前大多在学术洁净室中"手工打造"，使用的聚合物 stencil mask 与主流半导体 CMOS 产线不兼容。要实现数千量子比特的处理器，必须切换到与半导体工业兼容的沉积、刻蚀和图案化工艺。
第三，可重复性与良率。手工打造的量子比特参数分散性大，难以保证大规模阵列的一致性。半导体工业花了半个世纪解决良率和可重复性问题，量子计算必须嫁接这些成熟经验。
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🔧 中期测试平台：从学术小样到工业量产的桥梁
MARQUIS 的另一个关键任务是开发中等规模量子处理器（mid-scale quantum processors）的测试和验证方法。这是学术实验室的小系统与未来大型处理器之间的关键一步。
这些测试平台将帮助标准化不同实验室之间的研究工作，并让其他领域的专家（如半导体制造工程师）能够有意义地贡献于核心挑战。de Leon 指出："在半导体工业中，很多最好的知识都藏在帘子后面。文献浩如烟海，我们很难自己理清。所以让几位懂行的关键专家加入，知道正确的路标和思维方式，真的至关重要。"
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🌐 NSF 的宏大棋局：2.9 亿美元，八家研究所
MARQUIS 只是 NSF 新一轮量子飞跃挑战研究所计划的八分之一。这一轮总投资 2.9 亿美元，每家研究所获得约 2800 万至 3700 万美元、为期五年的资助，涵盖量子计算、量子传感和量子通信三大方向。
八家研究所分工明确：
- MARQUIS（Princeton 领衔）：超导量子处理器制造
- HQAN（混合量子架构与网络）：模块化量子计算，互联不同量子比特类型
- PRACTIQAL（实用量子纠错）：新纠错方法
- CIQC（量子计算研究所）：新量子算法和硬件架构
- QuBBE（生物物理与生物工程量子传感）：量子纳米探针、活细胞测量
- Q-SEnSE（纠缠科学与工程）：精密传感、原子钟
- RQS（鲁棒量子模拟）：量子模拟器
- FTQSAA（容错量子系统架构）：量子系统韧性
NSF 代理主任 Brian Stone 的表述点明了战略意图："四十多年来，NSF 一直在为现代量子计算、传感和通信奠定研究和发现的基础。现在是时候利用这些知识基础，通过聚焦性的活动推动我们走得更远。"
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🔮 从"坟场"到"工厂"：超导量子比特的工业化曙光
诺贝尔物理学奖得主 Michel Devoret——他首次展示了 Josephson 结如何用于制造"人工原子"——曾将超导量子比特的改进努力形容为有志物理学家和工程师的"坟场"（graveyard）。太多有希望的想法在材料缺陷、制造变异和工程复杂性面前折戟。
MARQUIS 的成立，意味着美国量子计算战略正在从"追求量子比特数量"转向"夯实制造基础"。这是一个迟来但必要的转向：没有可制造性，再好的物理设计也走不出实验室。
在全球范围内，量子计算的竞赛已进入深水区。中国在光量子（九章系列）和超导（祖冲之系列）路线上持续突破；日本刚刚投运首台全栈中性原子量子计算机 Shunkai；IBM 和 Google 在超导路线上不断刷新逻辑比特记录。MARQUIS 的加入，意味着美国正试图在量子制造这个"卡脖子"环节建立长期优势——不是通过某一篇 Nature 论文，而是通过材料科学、半导体工艺和量子器件的系统性工程能力。
> 关键数字回溯：$27.9M NSF 资助 / 5 年（Princeton MARQUIS，2026-08-25）；2.9 亿美元 NSF 八研究所总投资；九家研究机构 / 二十多个实验室参与；de Leon 团队 2025 年成果：量子比特性能 15 倍提升；铝 + 氧化铝 Josephson 结沿用 25+ 年；顾问委员会含 Google Quantum AI / NVIDIA / Applied Materials / Imec。
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*参考资料：Princeton University 官方新闻稿 / NSF 官方公告 / Cornell National Tribune / Quantum Zeitgeist / Quantum Spectator / Reuters / de Leon 团队 2025 年论文*