量子计算机何以落户芝加哥?

2025年7月，芝加哥宣布计划建设一台价值10亿美元的量子计算机，项目由PsiQuantum Corp主导，建设选址为前U.S. Steel South Works厂址。这一历史性工业用地将被改造为伊利诺伊州量子与微电子园区（IQMP），成为推动区域技术创新的关键枢纽。该量子计算机预计2028年正式投入运行，届时将成为全球仅有的两台实用规模、容错量子计算机之一，在材料科学、药物发现等领域将带来重大经济影响。

那么，量子计算机何以落户芝加哥呢？下文从PsiQuantum的技术原理、伊利诺伊州量子与微电子园区（IQMP）项目等方面进行介绍，解析芝加哥如何在全球科技竞赛中依托重点发展量子技术把握战略优势。

一、PsiQuantum量子计算机的技术原理与面临挑战

PsiQuantum本次在芝加哥部署的量子计算机，核心目标是在2028年前实现百万级物理量子比特的容错运算。其技术路线、硬件集成方式及纠错策略均围绕“光子”这一媒介展开，既利用了光子在常温传输和低损耗耦合上的天然优势，也面临大规模工程化的一系列挑战。

1、技术原理：基于光子的线性光学量子计算（LOQC）   

（1）硅光子集成技术。PsiQuantum基于300mm硅光子晶圆工艺，在单芯片上集成光子源、可调分束器（MZIs）与超导纳米线探测器（SNSPDs），通过CMOS兼容工艺实现>104组件/mm²的密度。

（2）超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）。PsiQuantum创新引入铌氮化物（NbN）超导纳米线探测器（SNSPD），通过NbN材料的“发夹形”纳米线设计，在2K低温下实现中值效率93.4%，最高达98.9%，并通过空间复用技术实现4光子数分辨能力。同时，其低温系统无需传统稀释机，而是采用工业级2～4K冷却方案，与NIST的40万像素SNSPD阵列形成技术互补。

（3）干涉耦合谐振腔设计。目前，PsiQuantum在单光子源方面有显著进展，通过干涉耦合谐振腔设计，将单光子光谱纯度提升至 99.5%±0.1%，且对制造波长偏差具有强鲁棒性，两光源谐振波长偏移±400pm时，光子不可区分性仍超99%。此外，通过24个谐振腔联合优化，泵浦能耗降低一个量级。

（4）新材料应用提升光子路由与控制性能和效率。光子量子计算机囊括复杂的光子路由与控制。PsiQuantum通过引入基于钛酸钡（BTO）的高速电光移相器，实现了低损耗、高速光开关网络，为精确操控光子路径提供了硬件基础。这种新材料的应用大幅提升了光子路由与控制的性能与效率。

（5）基于融合的量子计算（FBQC）架构。PsiQuantum建造的量子计算机不仅是光子量子计算机，还是百万量子比特容错量子计算机，旨在通过量子纠错技术来保护量子信息，克服量子计算中的错误和噪声影响。PsiQuantum采用基于融合的量子计算（FBQC）架构，通过主动体积编译技术等手段，在降低量子纠错资源开销方面有一定进展。

2、面临挑战

虽然光子在相干性和传输方面具有优势，但在实际操作中，这种技术路线本身就存在着一系列固有且成本高昂的挑战：

（1）芯片制造。高精密、高良率的先进芯片制造工艺本身就投入巨大，远超传统芯片的成本。高质量的单光子源通常在片外生成并耦合入芯片，而超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）则通过先进的混合集成或紧密封装技术与光子逻辑芯片连接。

（2）集成工艺。硅光子芯片虽兼容CMOS，但高密度波导、SNSPD阵列的串扰抑制（Row-Column复用）仍是工程难点。

（3）光源工程。真正的通用量子计算需要数以亿计的单光子脉冲。要研制与集成稳定、高效、高纯度单光子源，并将其精确地耦合到集成光路中，是困难且昂贵的。

（4）纠错机制。实现实用化的百万量子比特容错量子计算，仍面临诸多挑战，如进一步降低量子比特错误率，优化经典计算资源的利用效率等。

（5）持续成本。持续的研发投入是量子技术保持领先的关键之一。从原型到实用化，需要大量的实验验证、迭代优化和故障排除。此外，运营一台如此规模的量子计算机，包括能源消耗、日常维护、升级迭代等，都将产生巨大的持续性费用。

二、伊利诺伊州量子与微电子园区（IQMP）项目

伊利诺伊州量子与微电子园区（IQMP）位于芝加哥南部，占地128英亩，用于量子放大和其他相关量子和先进微电子研发，预计2026年底部分开放。IQMP由美国国防部高级研究计划局（DARPA）主导，旨在支持由公司、研究人员、供应商、最终用户和其他合作伙伴组成的完整生态系统，共同致力于促进量子技术的开发和商业化。

此前，在2024年12月，IBM公司和伊利诺伊州州长宣布，将在IQMP建立新的国家量子算法中心，由IBM与多家学术与行业量子计算先驱提供支持。中心预计将于2025部署一台IBM Quantum System Two系统，这台系统将搭载Heron量子处理器。

PsiQuantum的建设无疑是IQMP建设中的一个重要事件。PsiQuantum自带10.9亿美元用于建设全球首台实用的量子计算机，成为该园区的“锚定租户”。此外，政府资金支持也是该园区发展的重要砝码之一。伊利诺伊州向该园区投资5亿美元，旨在将芝加哥打造成全球量子技术中心。其中2亿美元用于建设低温工厂，以满足PsiQuantum和其他潜在用户的冷却需求。联邦政府也对该园区给予了大力支持，计划投资上亿美元用于建设IL-DARPA量子试验场项目。

三、量子计算机何以落户芝加哥？

量子计算能够解决传统计算机永远无法解决的问题，这为芝加哥在全球科技竞赛中的定位提供了战略优势。预计未来十年，量子计算将为芝加哥地区带来500亿～650亿美元的经济效益，并创造约175 000个相关就业机会。到2035年，全球量子产业的影响力预计将达到2万亿美元。芝加哥凭借其人才储备和产业基础（如可持续能源、生命科学和金融服务），被视为量子创新的理想地点。

芝加哥地区在全球量子版图中的逐渐崛起，得益于美国政府“国家量子倡议法案”（National Quantum Initiative Act）的战略性投入。芝加哥是美国获得该法案资助最多的地区之一，其吸引的政府资金已累计超过10亿美元。其中，尤其值得关注的是2.8亿美元的专项资助，用于建设四个国家量子信息科学（QIS）研究中心。这无疑为芝加哥地区的量子研究注入了强大动力。

芝加哥量子交易所（CQE）也是芝加哥量子崛起的重要驱动力。CQE是一个由芝加哥大学主导，并联合了美国能源部下属的两个关键国家实验室阿贡国家实验室（ANL）和费米国家加速器实验室（Fermilab）以及众多产业伙伴的战略合作联盟。此前，CQE表示，过去一年时间它已迎来19家新成员，是该联盟经历的一段增长最快的时期，这预示着量子产业或已迎来关键拐点。

随着PsiQuantum在IQMP的落户，芝加哥在量子领域的发展证明：量子革命不仅需要实验室突破，更需要产业生态重构与城市功能再造。

参考文献：

[1] Miranda Davis, et al. Chicago’s $1 Billion Quantum Computer Set to Go Live in 2028[EB/OL].[2025-09-28].https://www.bloomberg.com/news/articles/2025-07-21/chicago-s-1-billion-quantum-computer-to-start-operating-in-2028.

[2] 光子盒. 官宣！美国首台实用级容错量子计算机，或将在此诞生[EB/OL].[2025-09-28].https://news.qq.com/rain/a/20240726A08SX900.