IBM实现量子低温模块化，规模化仍难关重重

IBM宣布已经完成一套新型低温架构首批两个模块的对接与降温工作。这套架构可支持多台量子处理器运行，是IBM朝着2029年实现容错量子计算机目标迈进的又一个里程碑。

但这一进展也反映出，量子计算的规模化难题正在发生变化。打造更大规模的量子系统，不再只是简单地在芯片上集成更多量子比特。配套基础设施 —— 制冷系统、布线、控制电子器件、处理器之间的互联链路以及系统可靠性，也必须同步实现规模扩展。

IBM表示，这两个完成对接的模块部署于纽约州波基普西的IBM实验室，制冷温度可降至15毫开尔文以下。设备采用箱式结构，模块可以并排摆放，形成一个共用的低温环境。相比IBM此前的系统，该环境拥有大得多的布线与处理器互联空间。IBM称，单个模块的布线空间最高可达其主流量子系统的12倍。

IBM强调，这套系统是可实际运行的低温硬件，并非概念样机。不过，量子处理器还尚未跨这两个模块开展运算。IBM计划在今年晚些时候，在每个模块中各安装一块Nighthawk处理器，演示模块之间的互联通信能力。

制冷机的规模扩张难题

对更大规模低温架构的需求，折射出一个更普遍的行业困境：实现量子计算机规模化，不只是要容纳量子比特，还需要为配套的布线、连接器、屏蔽组件、控制硬件以及其他基础设施预留充足空间。

SemiQon公司首席技术官、联合创始人Janne Lehtinen在接受专访时表示，布线与控制电路是制约量子硬件规模化的最大障碍之一。

Lehtinen介绍，现有系统平均每个量子比特大约需要2.5根线缆，这些线缆大多是同轴电缆，还要搭配衰减器、放大器、耦合器与各类连接器。“整套装置最终会用到数百万个连接器，而连接器本身可靠性并不高。这种机械结构有非常多潜在故障点。”

他认为，如果继续沿用现有架构做简单堆砌，当量子比特数量达到数千乃至数万级别时，这套方案会变得越来越不具备可行性。

IBM这套新系统提供了更大物理空间，模块内部以及跨模块的芯片间连接数量得以提升。但更大的空间并没有彻底解决布线难题。

IBM两套模块化低温系统内部视图，面向可扩展容错量子计算研制

IBM量子系统副总裁Oliver Dial表示，按照当前方案，单个模块大约可支持2000个量子比特。同时，布线舱可以单独改造，无需整体重建整套低温系统。IBM希望借此为未来进一步提升布线密度留下改进空间。

从长远看，单纯靠扩容来容纳更多线缆，或许依旧不够。Lehtinen提出，大型量子计算机需要把更多控制电子器件放到低温环境中，更贴近量子处理器。“你不可能在制冷机内部塞进数百万根线缆。”

SemiQon正在为硅自旋量子比特与超导量子比特研发低温电子器件。Lehtinen说，硅自旋量子比特可以在相对更高的温度下工作，工程师就拥有更多制冷余量，更容易把控制电路集成到靠近处理器的位置。

SemiQon芯片模组与主板

IBM也在朝着相同方向布局。Dial写道，IBM正在积极研究低温CMOS技术，重点面向可调耦合器应用。

这意味着，更大体积的制冷机并不是布线问题的终极解决方案。它给IBM提供了扩展现有架构的缓冲，同时研发可以减少室温侧布线数量的下一代技术。

模块化带来的互联难题

把量子计算任务拆分到多颗处理器上，又引出新的挑战：各个处理器之间必须实现紧密通信，对外表现为一台完整计算机。

IBM计划采用L‑耦合器技术来实现该目标，该技术通过铝超导线缆，在处理器之间传输微波光子。IBM已经验证，通过L‑耦合器实现的双量子比特运算保真度可达99.3%，目标是达到99.9%。

两套IBM模块化低温系统，舱门关闭并排摆放

Lehtinen并未提前获知IBM本次发布的信息。他表示，不同处理器之间的链路性能最终要尽量接近单颗芯片内部双量子比特门的水平。“99.9% 这个目标是很合理的。” 不过具体指标要求，一定程度上取决于算法本身，以及跨芯片链路的使用频次。

Dial表示，当前L‑耦合器保真度的主要限制，来自与之相连的量子比特的相干性能。即将开展的Nighthawk处理器演示，不仅要测试跨处理器保真度、量子态传输，还要验证处理器互联之后，会不会造成单颗处理器本身性能下降。

量子网络企业memq.tech的CEO Charles (Chuck) Foley接受专访时谈到，处理器完成互联之后，量子互联工程和经典网络完全不是一回事。“量子态传输会随时间推移，概率性地发生劣化。”

量子链路的瓶颈不只是带宽，还包括光子损耗、保真度、相干时间，以及纠缠态的生成速率。Foley认为，从长期来看，真正的考验是：量子互联能否走出定制化演示样机阶段，变成标准化子系统，对波长、编码、相干性、损耗、纠缠生成速率等关键参数给出明确规格指标。

这点对IBM同样重要。实现低温环境模块化，解决了一项物理层面的扩展难题，但也对处理器之间的互联链路可靠性提出更高要求，要保证多个模块协同工作，如同一台量子计算机。

可靠性成为下一大考验

IBM自己也承认，低温环境实现模块化，并没有消除其他工程难题。IBM指出，控制电子器件与系统可靠性，是通往容错量子计算道路上剩余的最大阻碍。

Dial后续撰文提到，连接器和室温控制电子器件是他重点关注的问题，因为二者基本都要做到 “每个量子比特对应一路或多路通道”。这和Lehtinen提出的问题高度一致 —— 现有控制架构需要海量线缆和连接器。

模块化也不等于维护简单。Dial表示，这套新系统内部任何低温部件需要维修，依旧要把整套系统回温再重新降温。IBM正在研究运行冗余方案，包括潜在的 “故障就地留存” 策略。

Foley认为这一点至关重要。他指出，当量子计算机从定制科研样机转向商用产品，设计优先级会发生改变。“想要实现实用能力、规模化、商业化，设备就必须支持检修与维护。”

如今IBM已经证明，低温环境本身可以做成模块化设计。但更棘手的问题在于：模块内部以及模块之间的全部组件 —— 布线、控制电路、处理器、连接器、量子互联链路，能否跟上这种模块化的扩展节奏。