浙江
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前言
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在量子科技的激烈角逐中，稀土元素始終扮演著舉足輕重的角色。中國掌握著全球近九成的稀土加工能力，而美國盡管在量子計算領域屢創突破，卻難以擺脫對我國關鍵原材料的深度依賴。
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2025年10月，年屆六十七的諾貝爾物理學獎得主約翰·馬丁尼斯宣布了一項極具顛覆性的構想：用三年時間研發出不依賴任何稀土材料的量子技術體系，目標直指打破當前由資源主導的技術格局。
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一旦成功，這場技術革命或將重塑全球高科技產業鏈的權力結構。
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美國是否真能跳過稀土這一核心環節，在量子賽道上實現“彎道超車”？
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量子科技的“稀土瓶頸”
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作為支撐現代高端制造業的基礎性資源，稀土元素被廣泛應用于芯片制造、新能源系統以及量子信息處理等多個前沿領域。
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特別是在構建高性能量子計算機的過程中，稀土離子因其獨特的電子結構，常被用于增強超導電路的相干時間，有效抑制極低溫環境下的量子退相干現象。
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在全球科技博弈中，圍繞稀土供應鏈的安全布局已成為各國戰略部署的核心議題之一。
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中國不僅擁有豐富的稀土礦藏，更在分離提純、功能材料開發等關鍵技術環節建立了完整的產業生態鏈，形成了從原料到成品的全鏈條控制優勢。
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依據2024年發布的國際貿易數據，美國每年自中國進口的稀土氧化物和化合物占比高達70%，部分高價值元素如鋱與鏑的對外依存度甚至達到92%。
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這種結構性依賴使美國在發展先進量子硬件時面臨嚴峻挑戰，稍有波動便可能引發整個研發鏈條的中斷風險。
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值得注意的是，美國雖向中國出口大量初級稀土精礦，但這些原料經我國深加工后，其終端產品價格可增長數十倍，形成典型的“低賣高買”困局。
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這不僅造成本國戰略資源流失，也嚴重削弱了其在高端制造領域的自主可控能力。
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由于長期忽視冶煉設施建設與核心技術積累，美國本土尚不具備獨立完成高純度稀土提純的能力，導致其高科技產業深陷被動局面。
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量子計算作為下一代信息技術的戰略高地，被視為有望徹底改變傳統算力極限的關鍵路徑。
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其中，基于超導機制的量子比特方案因具備較快操作速度和相對成熟的集成潛力，成為主流研究方向之一。
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該路線高度依賴特定稀土摻雜材料以提升量子態穩定性，從而延長退相干時間，保障計算過程的準確性。
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由于超導器件需在接近絕對零度（約10毫開爾文）條件下運行，材料內部微小的磁性擾動都可能導致系統崩潰，因此引入稀土元素進行性能調制顯得尤為關鍵。
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若缺失這類功能性材料的支持，超導回路將難以維持長時間穩定工作狀態，量子處理器的整體效能將大幅縮水，甚至無法達成實用化門檻。
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正因如此，稀土供應的不確定性直接牽動全球量子計算項目的推進節奏，使其發展長期受制于地緣政治因素。
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對于美國而言，如何破解這一“卡脖子”難題，已成為推動國家科技安全轉型的緊迫任務。
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“無稀土量子技術”挑戰
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約翰·馬丁尼斯是國際公認的量子工程奠基人之一，其理論與實驗成果深刻影響了當代量子硬件的發展軌跡。
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2019年，他領導谷歌AI Quantum團隊成功實現了“量子優越性”驗證——即Sycamore處理器在特定任務中超越最強經典超級計算機百萬年以上運算量，標志著人類正式邁入量子加速時代。
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然而正是這段經歷讓他意識到：當前量子硬件的發展天花板，并非來自算法或軟件層面，而是受限于物理材料的供給瓶頸，尤其是對稀土元素的高度依賴。
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相較于傳統硅基芯片，量子芯片對材料純凈度與結構一致性的要求更為嚴苛，必須借助稀土元素調控局部電磁環境，才能實現穩定的量子操控。
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正因如此，量子設備制造成本居高不下，且極易受到原材料市場波動的影響。
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為此，馬丁尼斯于2022年離開谷歌，創立初創企業Qolab，專注于探索無需稀土參與的新型量子架構，致力于打造可持續、低成本的量子計算平臺。
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他立下明確目標：三年內推出完全脫離稀土材料的可擴展量子芯片原型，從根本上打破現有技術范式。
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馬丁尼斯仍堅持采用超導量子比特作為技術主線。
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此路線的最大優勢在于單比特門操作可在20至50納秒內完成，遠快于離子阱、拓撲量子等其他候選方案，更適合執行復雜并行運算。
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但傳統工藝中，為減少噪聲干擾，通常會在約瑟夫森結附近引入微量稀土涂層以屏蔽外部磁場，這對材料選擇提出了剛性需求。
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為了繞開這一限制，他采取雙軌并進策略。
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其一，重新激活上世紀五十年代曾廣泛應用的光刻剝離法（lift-off lithography），這項一度被淘汰的工藝因良率低、工序繁瑣而被現代投影式光刻取代，但其在納米尺度金屬沉積方面具有獨特靈活性。
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馬丁尼斯團隊通過引入自動化對準系統與新型抗蝕劑材料，顯著提升了該工藝的重復性與精度，使其適用于多層量子電路制造。
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其二，依托聯合創始人麥克·德莫特所開發的晶圓級低溫集成技術，實現在沒有稀土輔助散熱的情況下，維持量子芯片在極低溫環境中的熱力學平衡。
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與此同時，馬丁尼斯大幅壓縮了生產開支。
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不同于多數同行斥巨資建設專用潔凈廠房，他選擇與應用材料公司（Applied Materials）合作，利用其現成的半導體生產設備進行量子芯片試制。
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此舉避免了數十億美元的基礎設施投入，極大加快了原型迭代周期。
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盡管成本控制成效顯著，但量子系統的成品率問題仍是橫亙在商業化道路上的主要障礙。
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隨著量子比特數量上升，微小制造誤差會被指數級放大，嚴重影響整體系統可靠性。
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據透露，當量子芯片集成超過50個邏輯比特時，缺陷密度開始急劇攀升，錯誤率可能出現非線性增長。
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為確保系統可用性，馬丁尼斯設定了極為嚴苛的技術指標：每個量子比特的平均門錯誤率必須低于1%。
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要達成這一目標，僅靠改進工藝遠遠不夠，還需深入材料底層，設計全新的非稀土替代體系。
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目前團隊正嘗試運用量子模擬方法，預測不含稀土成分的復合材料行為特性，期望從中發現具備類似屏蔽功能的新一代功能材料。
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美國的戰略轉型
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倘若馬丁尼斯的愿景得以實現，其所帶來的影響將遠超單一技術突破，而是標志著美國在高科技戰略上的深層轉向。
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如今，稀土已不再只是礦產資源范疇的問題，而是演變為決定未來科技主權的戰略支點。
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在此背景下，Qolab提出的去稀土化路徑，或將幫助美國擺脫長期以來在關鍵材料上的被動地位，構建真正意義上的自主可控量子產業鏈。
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量子計算能力的躍升，將使其在未來高性能計算體系中占據核心位置，廣泛服務于新藥分子建模、氣候模擬、密碼破譯及人工智能訓練等重大應用場景。
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一旦擺脫稀土束縛，量子設備的制造門檻將顯著下降，規模化部署成為可能，進而推動整個產業進入爆發式發展階段。
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馬丁尼斯的創新嘗試不僅關乎美國自身利益，也可能引領全球科技格局走向一個更加多元、開放的新階段。
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面對這一新興挑戰，中國的應對策略并非阻撓外部創新，而是持續強化自身的科技縱深與產業鏈韌性。
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作為全球最大的稀土生產與加工國，我國不僅掌控上游資源開采權，更在高端功能材料研發、量子器件封裝等領域積累了深厚的技術儲備。
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為鞏固領先地位，中國正加速推進由“資源輸出型”向“技術驅動型”的產業升級，重點扶持稀土永磁、催化材料、發光材料等高附加值產品的自主研發。
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通過構建涵蓋基礎研究、中試轉化與量產應用的完整生態閉環，中國有望在未來繼續保持在全球量子材料市場的主導地位。
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結語
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量子計算的演進，不僅是科學探索的延續，更是大國之間綜合實力較量的重要體現。
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約翰·馬丁尼斯發起的這場“去稀土化”技術攻關，雖然前路充滿未知，卻為全球量子科技發展注入了新的可能性。
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如果該項技術最終能夠實現工程化落地與商業推廣，它不僅將重塑美國在全球科技版圖中的角色，還可能開啟一個人類不再受制于稀有礦物資源的時代。
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與此同時，中國在稀土產業鏈上的既有優勢也迎來前所未有的考驗。如何在快速變化的技術浪潮中持續領跑，將是未來幾年我國科技政策制定者必須回答的關鍵命題。
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