世界上最“精准”的指挥家：量子测控系统

我们认识了量子世界里的两位重要角色。

一位是“孤独的光”——单光子发射器，负责一颗一颗地产生光子；一位是“敏锐的眼”——单光子探测器，负责把最微弱的光信号看个明白。

但一台量子计算机要真正跑起来，还缺一位灵魂人物：它要告诉每一个量子比特什么时候做什么动作，还要时刻盯着设备运转是否正常。

这位幕后主角，就是量子测控系统——量子计算机的指挥家，也是它的神经中枢。

一、既要下指令，又要盯状态：量子计算机的“指挥家”

量子测控系统干的，归根结底是两件事：配置和控制计算过程，监测设备运行状态。

你可以把量子计算机想象成一支交响乐团：量子比特是乐手，量子程序是乐谱，而测控系统就是站在乐团前面的指挥家。

每个乐手的每一次起落，都由它精准调度；演奏中任何一个音符走偏，它也要第一时间发现。

这位指挥家还得兼任调音师——量子态的读取、系统的校准、故障的定位，全都归它管。

具体来说，用户提交的量子程序，最终会被翻译成一系列微波或激光脉冲。

脉冲的频率决定“对哪个比特说话”，相位和幅度决定“做什么操作”，持续时间决定“做多久”。

测控系统负责把这些指令精确地送到每一个量子比特“手”上，再把计算结果读出来。

它是经典世界与量子世界之间的桥梁——没有它，再强大的量子芯片也无法工作。

图1 量子计算实验室：机柜中的测控电子设备与低温实验装置（图源：公开报道）

二、为什么这么难：在比深空还冷的地方，弹一场纳秒级的钢琴

量子测控难，难在“既要快、又要准、还得冷”。

超导量子计算机里，量子比特的工作温度约为10毫开尔文，比星际深空还要冷两个数量级以上。

在这样极端的环境下，操纵一个量子比特，需要向它发射只有几纳秒到几十纳秒长的微波脉冲，脉冲的幅度、相位、频率都要控制得极其精确——稍有偏差，量子比特就会“听错指令”，计算结果随之出错。

量子系统对控制精度要求极高，因此测控系统是保证任务能够按设定方式运行的重要组成部分。

比“发指令”更难的，是“听回音”。

读取量子态时，比特反射回来的信号极其微弱，必须依靠工作在低温环境的低噪声放大器逐级放大，才能从噪声里分辨出量子比特到底是0还是1。

而且这些参数还不是静态的：比特频率会漂移，门保真度会随电磁环境波动。

所以测控系统还要持续校准，出现异常时更要能定位问题出在芯片、低温环境还是电子学。

行业里有句直白的判断：“测控是量子计算的灵魂。

”这是相干科技创始人金贻荣的观点——芯片提供的是能力的上限，测控决定这个上限能兑现到什么程度。

“祖冲之号”量子计算原型机总师朱晓波在WAIC 2026上的提醒更为犀利：不要相信任何“千比特、万比特”的炒作，精度不足、错误率没降下来，规模再大都没有意义。

而精度与错误率的守门人，正是测控系统。

三、拆开看：指挥家的“四大件”

一套完整的量子测控系统，核心可以拆成波形发生、信号采集、时序同步、实时反馈“四大件”。

· 任意波形发生器（AWG）：负责“下指令”，把量子指令转换成精确的微波或激光脉冲波形，是操控量子比特的“键盘”；

· 高速模数采集（ADC）：负责“读状态”，把反射回来的微弱模拟信号转换成数字信号，解调判决出量子态是0还是1；

· 时序同步：成百上千个通道必须在同一时钟节拍下对齐，同步误差以皮秒计；

· 快速反馈：量子纠错要求系统在几百纳秒内完成“读取—判决—修正”的闭环，反馈慢了，错误就会扩散。

以中微达信最新的ZW-QCS580快速反馈量子计算测控系统为例，它按功能拆成XY操控、Z线控制、读取解模判决、反馈支持、测控支持几个单元，面向量子纠错和千比特级量子计算系统的控制需求设计，测控效率较上一代产品提升了10倍以上，并已完成大规模量子计算系统的整机集成验证。

这套系统的演化速度，也折射出整个行业的节奏。

2016年，苏黎世仪器公司与荷兰代尔夫特理工QuTech合作，推出了可支撑7个超导量子比特的集成测控系统；2017年，是德科技做到100通道；2018年，本源量子研制出40通道测控系统，这是国内第一套完整的量子计算机控制系统；而今天，头部企业的产品已经瞄准千比特级——八年时间，通道规模放大了上百倍。

图2 中微达信ZW-QCS580量子计算测控系统：五大功能单元各司其职（图源：中微达信）

四、从机房搬进“冰箱”：低温CMOS的大趋势

测控系统最大的物理瓶颈，是那根从室温通向10毫开尔文的电缆。

今天，每一个量子比特都需要独立的测控线路。

比特数上千，就意味着上千根同轴电缆要像瀑布一样，从300K的室温一路穿进接近绝对零度的“冰箱”——热负荷、信号串扰、传输延迟和成本全部随之爆炸。

相干科技测算过：一台百比特规模的超导量子计算机，测控系统能占到整机成本的60%以上；而且测控电子学和低温线路的数量与比特数近乎线性相关——比特翻倍，测控成本跟着翻倍，稀释制冷机的成本反而可以随规模摊薄。

测控由此成为量子计算走向规模化最难摊薄的一条成本曲线。

行业的解法，是把测控芯片“下沉”到低温端，这就是低温CMOS技术。

把控制电路做成耐低温的专用芯片，部署到4K甚至更冷的温区，紧挨着量子芯片工作，室温到低温的电缆数量就能缩减一个数量级。

英特尔、谷歌、IBM、微软等巨头均有布局，行业数据显示，低温控制芯片已能把单比特测控成本拉低约42%。

国内在这条赛道上，已经跑出了标志性成果。

中微达信联合电子科技大学、南方科技大学研发的“西岭”硅基量子比特操控芯片，基于65nm CMOS工艺，能在60毫开尔文的极低温下稳定运行，静态功耗仅60微瓦，操控精度达4.6微伏，先后入选集成电路顶级会议ISSCC 2025、刊发于IEEE《固态电路杂志》，并获《自然·电子学》推荐、评为该刊量子计算芯片领域年度亮点。

它与面向超导比特操控的“贡嘎”、面向超导比特读取的“峨眉”一起，构成了“蜀山”系列低温CMOS测控芯片组。

此外，中微达信的低温低噪声放大器已向国内外科研机构和企业交付，年销售额达数千万元，部分型号功耗仅为国际同类产品的几分之一。

图3 “蜀山”系列低温CMOS测控芯片组：贡嘎、峨眉、西岭（图源：中微达信）

图4 低温低噪声放大器等射频测控模块（图源：中微达信）

五、最贵的一环，也是最“卡脖子”的一环

如果说量子芯片是皇冠，测控系统就是皇冠上最值钱的那颗宝石。

光子盒研究院与iCVTank的预测显示：全球量子计算测控系统市场规模将从2022年的0.16亿美元，增至2025年的5.45亿美元，2030年达到约210亿美元；到2035年，测控系统将以约996亿美元的规模、近40%的占比，超越量子芯片本身，成为量子计算产业链中价值最高的环节。

原因不难理解——系统控制与集成的复杂度，会随比特数加速攀升。

但格局上，这一环长期由海外巨头主导。

罗德与施瓦茨（收购了瑞士苏黎世仪器）、是德科技占据了全球测控系统绝大部分市场份额，荷兰Qblox等专精厂商紧随其后。

国产阵营里，中微达信、本源量子、国盾量子已经站稳脚跟：国盾量子作为“祖冲之三号”项目唯一企业参与主体，为其提供测控系统等核心组件；中微达信2026年8月完成数亿元B轮融资，半年内连融两轮，其“量子计算测控系统及其核心芯片”还入选了工信部先进计算赋能新质生产力典型应用案例，是国内量子科技领域仅有的两家入选主体之一。

不过也要清醒地看到：在极低温制冷机与高端测控芯片环节，国产化率目前仍低于20%，追赶空间与追赶压力同样巨大。

图5 中微达信机架式量子测控设备：单台24路射频通道（图源：川观新闻）

六、结语：万比特时代，得测控者得天下

量子计算的竞争，正在从“谁的比特多”转向“谁的系统稳”。

当行业从原型机走向工程化、从物理比特走向逻辑比特，决定成败的不再是单点指标，而是测控精度、实时纠错和系统工程能力。

千比特时代，测控要解决通道扩展、信号串扰与快速反馈；万比特时代，低温CMOS、高密度低温互连、量超智融合调度，每一项都是必须啃下的硬骨头。

从单光子发射器的“孤独的光”，到单光子探测器的“敏锐的眼”，再到测控系统的“精准的指挥家”——发射、探测、测控，三大件合璧，一台量子计算机才真正睁开了眼睛、挺直了脊梁。

量子时代的精彩大幕，正由这位幕后的指挥家，一纳秒一纳秒地指挥着拉开。

卤浸牛腱浸透醇厚卤香，低温慢烤烘出五香肉干

牛腱子肉买回来冲洗干净，顺着纹路切成拳头大的块，冷水下锅焯一遍，丢几片姜倒一勺料酒，水开了撇掉浮沫捞出来。

另起一锅清水，牛腱子放进去，加八角、桂皮、香叶、花椒、小茴香，倒生抽和老抽上色，搁几块冰糖，大火烧开转小火卤上一个钟头。

卤到筷子能扎透肉块就关火，让牛肉在卤汤里泡着，泡上两三个小时更入味，泡过夜味道更足。

卤好的牛肉捞出来晾凉，逆着纹路切成筷子粗细的条。

切好的牛肉条搁盆里，加五香粉、花椒粉、少许盐和糖，再淋一勺卤汤拌匀，腌上半小时让调料吃进去。

烤箱预热到一百五十度，烤盘铺锡纸，牛肉条码上去别挨太挤，留出空隙好让热气流通，烤二十分钟翻个面，再烤十五分钟。

喜欢干硬有嚼劲的多烤一会儿，喜欢软一点的少烤几分钟，各家烤箱脾气不一样，看着点别烤糊了。

没有烤箱的话用平底锅小火慢煸也行，煸到表面干香就成。

牛肉要选牛腱子，带点筋膜卤出来才有嚼头，纯瘦肉做出来发柴。

切条的时候逆着纹路切，嚼着不塞牙。

卤汤别倒，滤干净了冻起来，下次卤东西接着用，越卤越香。

烤的时候温度别太高，低温慢烤才能里外都干透而不焦，火大了外头焦了里头还湿。

五香粉和花椒粉的量按口味来，喜欢麻一点的多搁花椒粉，喜欢五香味重的多搁五香粉。

烤好的牛肉干晾凉了装密封罐，防潮能放一个星期。

一盘五香牛肉干端上来，条条干香紧实，表面泛着油光，闻着五香混着肉香直往鼻子里钻。

掰一条送进嘴，越嚼越香，越嚼越有味，咸香里带着微微的麻和回甜，嚼到最后舍不得咽。

这牛肉干当零食、下酒、出门带着都合适，比外面买的干净实在，肉也足。

一次多卤些多烤些，装罐子里随吃随取，家里来客人抓一盘出来，省事又体面。

家常日子备上这么一罐，解馋又顶饱。

中国科学家为量子互联网研制100通道单光子探测器

研究人员对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行了全面重新设计，并使用一种名为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的研究人员研制出一款100通道单光子探测器，为中国发展宽带量子网络打开了大门。

用这款探测器测试的原型网络显示出超过90%的通信保真度。

随着量子计算和传感技术的进步，很快将需要量子信息网络。

尽管人们正在为这种网络测试不同方案，但一种与现有光纤网络非常相似的方案很可能因其易于过渡而被采用。

单光子探测器（SPD）是此类网络的关键组件，因为它们有助于测量光子（即单个光粒子），而光子可用于存储量子信息。

SPD可帮助部署用于量子数据传输的光纤或空间链路，同时还能通过将量子态转移到光子来帮助实现量子纠缠或量子隐形传态。

使用SPD的挑战 为了让量子技术演进和规模化，我们还需要开发容量更高的SPD。

目前，用于量子研究的SPD主要有两种。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是高端光电器件，探测精度极高，但运行需要超低温。

另一方面，单光子雪崩二极管（SPAD）可在室温下工作，但精度不高。

因此，SNSPD更受青睐。

然而，SNSPD的超低温要求带来了其他挑战。

为了读出信号，SNSPD要连接到保持在室温的仪器上。

这是通过相对较粗且由导热金属制成的同轴电缆实现的。

这些电缆使室温热量进入SNSPD工作的低温腔；这被称为热负载。

随着SNSPD内探测通道数量增加，读出信号所需电缆数量也增加，进而增加热负载。

对此的变通方案一直是将探测器数量限制在32个，这是单光子探测器领域的标准。

100通道SPD 为克服这一点，SIMIT的研究人员对SNSPD进行了全面重新设计，用称为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。

这些线不仅超薄，而且隔热，因此传回低温腔的热量极少。

据SIMIT团队称，进入系统的热量是传统电缆的二十一分之一。

这使他们能够为SPD增加更多独立通道，同时保持长期稳定性，且不会显著增大SPD尺寸。

为测试其设计，研究人员让SPD连续七天全天候运行，低温腔温度仍保持在2.1K以下，非常接近0K（-273.15摄氏度）的绝对零度。

研究人员在一篇论文中指出，测试期间，各通道探测效率达到80%，同时误报率极低。

为了更贴近真实场景进行比较，团队构建了一个包含5个用户、10条双向量子链路的量子纠缠分发网络。

论文补充说，每个用户使用SPD新开发的通道接收光子，通信保真度（即量子信息的保持程度）超过90%。

研究成果发表在《激光与光子学评论》期刊上。

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