2026年8月25日——美国国家科学基金会（NSF）今天宣布，普林斯顿大学将牵头八项重大计划之一，以加速量子计算的发展。

由普林斯顿大学牵头的量子跃迁挑战研究所（Quantum Leap Challenge Institute）将研发硬件制造技术，并制定教育和劳动力培训计划，以深化美国在量子科学与工程领域的领导地位。该研究所将汇集来自广泛领域的专家，攻克一个关键瓶颈——量子处理器核心组件的制造。

“整个领域约四分之一个世纪以来一直在使用基本相同的材料技术，”普林斯顿大学电子与计算机工程教授、普林斯顿量子计划（Princeton Quantum Initiative）联席主任Nathalie de Leon表示。她将领导这一新研究所。这项技术用于实验原型和小规模系统效果良好。但她表示，要构建具有科学实用规模的量子计算机，最基本的元件必须重新发明。

据NSF称，由普林斯顿牵头的这一研究所将在五年内获得NSF 2790万美元的资助。研究团队汇聚了三大领域的专业力量——材料科学、量子器件和半导体加工——涵盖九个研究机构的二十多个实验室。

“解决这个问题存在巨大障碍，”康奈尔大学物理学家、该研究所副所长Valla Fatemi表示。“正因如此，我们需要这样一个汇聚多学科交叉专业知识的研究所来攻克它。”

参与机构包括普林斯顿大学、康奈尔大学、麻省理工学院、加州大学圣塔芭芭拉分校、斯坦福大学、达特茅斯学院、NY Creates、密歇根州立大学和爱荷华大学。咨询委员会成员机构包括Google 量子人工智能、NVIDIA、应用材料公司（Applied Materials）、牛津仪器（Oxford Instruments）、Bluefors、鲁汶大学/imec和MIT林肯实验室。新研究所将命名为MARQUIS：可制造且具韧性的超导量子信息系统（Manufacturable and Resilient 超导体 量子信息 Systems）。它是8月25日在NSF量子跃迁挑战研究所计划2.9亿美元资助轮中宣布的八个研究所之一。

“四十多年来，NSF一直在为研究和发现奠定基础，正是这些基础推动着当今的现代量子计算、传感和通信，”履行NSF主任职责的Brian Stone表示。“现在是时候开展重点行动，利用这一知识基础推动我们走得更远，造福所有美国人。NSF量子跃迁挑战研究所是我们理解所处量子世界的下一步。”

除了重新发明材料体系之外，MARQUIS团队还将开发验证和比较各种设计性能的方法，并在中规模量子处理器中进行测试——这是介于学术实验室通常开发的小型系统与未来将运行实用量子算法的大型处理器之间的一个步骤。

据研究所负责人介绍，这些测试平台将有助于标准化不同实验室的研究工作，并让其他领域的专家为核心挑战做出有意义的贡献。例如，可能对量子计算有价值的半导体制造技术往往涉及量子研究人员所不具备的高度专业化知识。

“尤其是在半导体行业，”de Leon表示，“大量最优秀的知识都藏在帷幕之后。文献又浩如烟海，我们很难理解。因此，拥有几位知道正确路标、懂得如何思考这一问题的关键专家，确实至关重要。”

普林斯顿大学化学与生物工程教授、等离子体半导体加工专家David Graves担任新研究所的联合首席研究员。

de Leon本人的研究通过与普林斯顿大学工程学院院长Andrew Houck、著名固态化学家Robert Cava以及三个实验室的青年研究人员合作，推动了超导量子器件组件技术的革新。去年，该团队发表了该领域十多年来最重大的进展。这一进展源于对构建超导量子比特所用材料的重新构想，量子比特负责存储和处理量子信息。他们的量子比特性能比领先的行业芯片高出15倍，此后又取得了更大进展。

这些量子比特都基于一种名为约瑟夫森结（Josephson junction）的单一电路元件。这种结由三层金属像三明治一样堆叠而成，中间是一层仅有几个原子厚的氧化金属。成对的关联电子穿过薄薄的中间层，形成一个可以利用量子力学规则操纵信息的系统。如今几乎所有量子比特都使用铝和氧化铝构成的结，这与超过25年前首批超导量子比特采用的方法相同。新研究所的工作将完全聚焦于寻找制造约瑟夫森结的新方法。

诺贝尔奖得主Michel Devoret首次演示了这些器件的工作原理，他将数十年来改进超导量子比特的努力称为有抱负的物理学家和工程师的“思想坟场”。他还称赞de Leon承担了这一高风险探索并取得了实质性进展。Devoret是加州大学圣塔芭芭拉分校教授、Google Quantum AI首席科学家，也是新研究所的高级研究员之一。

“我们可以看到，材料限制将成为下一个重大瓶颈之一，”de Leon表示。她说，大型研究机构能够建立机制来协调众多不同人员的工作。她的想法是：集中这些力量，瞄准量子计算中最古老的障碍之一。

“让我们组建一支梦之队，”de Leon说，“尝试攻克这一难题。”