量子计算要充分发挥潜能，需要扩展到比现有规模大得多的量子系统。然而，这不仅仅是建造拥有更多量子比特的更大处理器那么简单。IBM的超导量子计算机只能在比外太空更冷的温度下运行，需要高度专业化的冷却系统。从长远扩展的角度来看，制冷硬件也必须随之演进——而且不仅仅是体积上的增大。
未来的量子计算机将依赖多个处理器协同处理同一问题。容纳这些处理器需要更大的冷却系统，使其能够相互连接并协同工作。为应对这一挑战，IBM宣布推出一种全新的低温系统模块化架构。通过量子链路和经典链路连接处理器，信息可以在芯片之间流动，从而将计算能力延伸至单一处理器的局限之外，并支持更复杂的量子算法。
这一新型低温架构是IBM实现IBM Quantum Starling路径上的基础性组成部分——Starling预计将于2029年问世，届时将成为首台容错量子计算机。IBM已成功以两个耦合低温单元展示了这一新架构，为实现容错量子计算机所需的模块化方案提供了早期验证。
现有超导量子计算机的局限
目前，超导量子计算机通常安置在独立的圆柱形低温恒温器中——这种真空绝热容器内装有稀释制冷机，可将处理器冷却至接近绝对零度的温度。通过长时间维持稀释制冷机的极低温度，低温恒温器能够最大限度地减少过热和热噪声等干扰源，使量子态持续足够长的时间，从而实现可靠的计算。
这一方案支撑了当今量子计算机的发展，从2016年IBM首台可通过云端访问的5量子比特量子计算机，到2023年发布的拥有1000+量子比特的IBM Quantum Condor。然而，这段历程也揭示了单芯片扩展的局限性——空间限制、过度热生成以及量子比特串扰带来了巨大挑战。量子比特串扰是指量子计算机中针对特定量子比特的操作无意间影响相邻量子比特，从而产生噪声和计算错误的现象。
研究人员已发现了克服这些局限的有效策略：将计算工作负载分布在多个相互连接的处理器上，这些处理器既可以分别解决小型子问题后合并结果，也可以作为更强大的统一系统协同运行。这些创新使IBM得出两项结论：
模块化是量子处理器长期扩展的关键。
传统的独立低温恒温器不适用于未来的互联量子系统。
模块化低温架构的设计
IBM新型模块化低温恒温器采用成熟的稀释制冷技术冷却量子处理器，但在前代产品的基础上进一步突破——以箱形低温"单元"的形态呈现。每个单元由实心铝板和框架构成，是一个完整的低温环境，可容纳一个量子处理器并与相邻单元稳定连接。圆柱形低温恒温器在处理器之间需要冗长且噪声较大的连接，而模块化箱形设计则允许各单元紧密并排放置，互联路径大幅缩短。
通过减少量子信息在处理器间传输的开销，并为其他低温电子设备提供更多空间，这一架构为可扩展的互联量子系统奠定了基础，进而支撑容错计算机的实现。
在新的模块化方案中，每个低温单元配备独立的真空腔、冷却硬件和热屏蔽层。连接两个或多个单元时，量子线缆通过一个单元的开口接入相邻单元，多层热屏蔽层相互连接，在系统之间形成受保护的低温通道。该通道在维持量子系统所需低温的同时实现处理器互联。
这一架构的优势还不止于此。即便单元相互连接，屏蔽层的设计也能将相邻单元之间的热量交换降至最低。随着连接单元数量的增加，冷却时间和温度稳定性保持一致，从而实现高度可扩展的系统，且不会影响计算性能。
此外，这种模块化设计使未来逐个单元的升级变得更加便捷。每个单元的体积均大于以往任何低温解决方案，约为普通厨房冰箱的3倍，提供约0.53平方米的可用布线面积和2.75立方米的真空腔容积。其尺寸支持部署更大的单一处理器和更密集的系统配置，为未来几代量子硬件奠定基础，而无需对整个低温系统进行重新设计。
专为IBM量子计算机打造
与通用模块化低温解决方案不同，IBM的模块化方案专为IBM量子计算机量身设计。该架构与IBM互联多芯片量子系统的长期目标高度契合，各个方面均针对读出布线、处理器设计和低温电子技术的持续演进而优化。
IBM已在位于纽约波基普西的量子设施中实际验证了这一架构——两个模块化低温单元原型成功耦合并协同运行。
该模块化方案专为长期扩展和IBM专属硬件设计，规避了随系统规模增长而重新设计整个低温基础设施的需要，从而支撑下一代量子系统的发展。
迈向容错量子计算的关键一步
未来版本的单个单元预计至少可支持2000个量子比特——高于IBM目前在任何单一芯片上制造的量子比特数量。新型模块化低温恒温器架构引入了支撑更大量子系统所需的基础设施，推动容错量子计算的实现。
值得关注的是，这一架构将在IBM Quantum Starling到来之前向研究人员开放探索，使IBM得以提前验证量子硬件的关键能力。研究人员还可利用这些低温恒温器测试IBM模块化容错架构中的重要组件，例如2024年首次演示的l型耦合器（一种可在稀释制冷机内部运行、在约一米尺度上连接量子处理单元的线缆）。
模块化低温恒温器为未来几代量子硬件提供基础，无需对底层低温基础设施进行重大改造，在当今单芯片部署与IBM量子路线图上更大规模互联系统之间搭建起一座桥梁。
Q&A
Q1：IBM模块化低温架构和传统低温恒温器有什么区别？
A：传统低温恒温器是圆柱形的独立封闭容器，处理器之间的连接路径长、噪声大。IBM新型模块化低温架构采用箱形单元设计，各单元可紧密并排放置，互联路径更短，量子信息传输开销更低。同时，每个单元配备独立真空腔和热屏蔽层，连接时通过低温通道保持稳定温度，不影响整体计算性能，并支持逐个单元升级，无需重新设计整个低温系统。
Q2：IBM模块化低温架构能支持多少量子比特？
A：未来版本的单个低温单元预计至少可支持2000个量子比特，高于IBM目前在任何单一芯片上制造的量子比特数量。多个单元连接后，系统可进一步扩展，为实现容错量子计算提供所需的大规模量子处理能力，是IBM量子路线图上的重要基础设施组成部分。
Q3：IBM Quantum Starling是什么？预计什么时候发布？
A：IBM Quantum Starling是IBM规划中的首台容错量子计算机，预计于2029年问世。新型模块化低温架构是实现Starling的基础性组成部分。IBM已在纽约波基普西的量子设施中成功完成两个模块化低温单元的耦合验证，这一架构也将在Starling正式发布前向研究人员开放，用于验证关键量子硬件能力。
