2026年8月25日——由普林斯顿大学领衔的量子飞跃挑战研究所（Quantum Leap Challenge Institute）将开发硬件制造技术，并制定教育和劳动力培训项目，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，共同突破一个关键瓶颈——量子处理器核心组件的制造。

“近25年来，整个研究界使用的基本上都是同样的材料技术，”普林斯顿大学电子与计算机工程教授、普林斯顿量子倡议联合主任Nathalie de Leon说，她将领导这所新研究所。这项技术对实验原型和小规模系统来说一直很有效。但她说，要构建在科学上有实用规模的量子计算机，最基本的元件必须重新发明。

美国国家科学基金会（NSF）称，这个由普林斯顿领衔的研究所将在五年内获得2790万美元的NSF资助。研究团队汇集了三大广泛学科——材料科学、量子器件和半导体工艺——的专业知识，涵盖九家研究机构的二十多个实验室。

“解决这个问题存在巨大的障碍，”康奈尔大学物理学家、该研究所副所长Valla Fatemi说。“这就是为什么我们需要这样一个研究所，汇集所有这些跨学科的专业知识来攻克它。”

左为康奈尔大学物理学家Valla Fatemi，他将担任该NSF研究所的副所长。图片来源：康奈尔大学

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。顾问委员会的组成机构包括Google Quantum AI、英伟达（NVIDIA）、应用材料公司（Applied Materials）、牛津仪器（Oxford Instruments）、Bluefors、KU Leuven/Imec和MIT林肯实验室。这所新研究所被命名为MARQUIS（Manufacturable and Resilient superconducting Quantum Information Systems），意为“可制造且稳健的超导量子信息系统”。它是NSF量子飞跃挑战研究所计划于8月25日宣布的2.9亿美元资助轮中入选的八个研究所之一。

“四十多年来，NSF一直在为研究与发现奠定基础，正是这些基础支撑着当今的现代量子计算、量子传感与量子通信，”履行NSF署长职责的Brian Stone说。“现在应当开展有重点的行动，利用这些知识基础推动我们走得更远，造福全体美国人。NSF量子飞跃挑战研究所是我们理解所处量子世界的下一步。”

除了重塑材料系统之外，MARQUIS团队还将开发验证和比较各种设计性能的方法，并在中等规模的量子处理器中对这些设计进行测试——这一步介于学术实验室通常开发的小型系统与有朝一日将运行实用量子算法的大型处理器之间。

据研究所负责人介绍，这些测试平台将有助于使不同实验室的研究工作标准化，并让来自其他领域的专家能够为核心挑战做出有意义的贡献。例如，那些可能被证明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。

普林斯顿大学研究人员Faranak Bahrami和Matthew Bland正与Nathalie de Leon合作，de Leon希望让超导量子芯片更具商业可行性。他们在这所新NSF研究所领导开展的工作，将聚焦于升级一种25年来没有实质性变化的关键微观器件。摄影：普林斯顿大学Matthew Raspanti

“尤其是在半导体行业，”de Leon说，“大量最优秀的专业知识都隐藏在帷幕之后。文献又浩如烟海，我们很难理清。因此，行业内拥有少数几位知道正确路标、懂得应该如何思考的关键专家，是至关重要的。”

David Graves是普林斯顿大学化学与生物工程教授、半导体工艺中应用等离子体的专家，他将担任这所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以及这三个实验室的青年科研人员合作，帮助推动了超导量子器件组件技术的变革。去年，该团队发表了该领域十多年来最大的一次进展。这项进展基于对超导量子比特所用材料的重新构想；超导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业界领先的芯片高出15倍，而且此后他们又取得了更多进展。

这些量子比特都基于一种被称为约瑟夫森结的单一电路元件。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薄层。成对的耦合电子穿过中间的薄层，形成一种可以利用量子力学规则操控信息的系统。如今几乎所有的量子比特都使用铝和氧化铝制成的结，这与25多年前首批超导量子比特所采用的方法相同。新研究所的工作将完全聚焦于寻找制造约瑟夫森结的新途径。

诺贝尔奖得主Michel Devoret最先证明了这些器件的工作原理，他把数十年来制造更优超导量子比特的努力称为有抱负的物理学家和工程师的“想法墓地”。他还称赞de Leon承担了如此高风险的挑战，并取得了实实在在的进展。Devoret是加州大学圣塔芭芭拉分校教授、Google Quantum AI首席科学家，也是这所新研究所的高级研究员之一。

“我们可以看出，材料的局限性将成为接下来的重大瓶颈之一，”de Leon说。她说，大型研究所能够建立起协调众多不同人员活动的机制。她的想法是：把这些力量集中起来，瞄准量子计算领域最古老的障碍之一。

“让我们组建一支梦之队，”de Leon说，“试着打通这一瓶颈吧。”