2026年8月19日——要充分实现量子计算的潜力，需要将量子系统扩展到比目前大得多的规模。然而，要做到这一点，不能仅仅制造拥有更多量子比特的大型处理器。IBM的超导量子计算机只能在比外太空更冷的温度下运行，因此需要高度专业化的冷却系统。要实现长期扩展，制冷硬件也必须同步演进——而且不仅仅是尺寸上的演进。

未来的量子计算机将依赖于许多处理器可靠地协同处理相同问题。容纳这些处理器将需要能够相互连接并协同工作的更大冷却系统。为了应对这一挑战，IBM宣布了一种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传输，从而将计算扩展到单处理器限制之外，并支持更复杂的量子算法。

这种新的低温架构是IBM实现IBM Quantum Starling——首台容错量子计算机——道路上的基础组成部分，该计算机预计于2029年问世。IBM已经通过两个耦合的低温单元成功演示了这一新架构。这一演示为实现IBM容错量子计算机所需的模块化方法提供了早期验证。

IBM的模块化低温架构如何建立在现有解决方案之上？

如今，超导量子计算机通常安置在独立的圆柱形低温恒温器中：这些真空绝热容器内，稀释制冷机将处理器冷却到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，低温恒温器将多余热量和热噪声等潜在干扰源降至最低，使量子态能够持续足够长的时间，从而实现可靠计算。

这种方法支撑了当今使用的量子计算机的发展，从2016年IBM首台仅有5个量子比特的云接入量子计算机，到2023年推出的拥有1000多个量子比特的IBM Quantum Condor。然而，这一历程也揭示了单芯片扩展的局限性。由于空间限制、过多热量产生和量子比特串扰，单芯片扩展面临巨大挑战。

研究人员已经发现了克服这些局限性的可行策略，即将计算工作负载分布在多个相互连接的处理器上。这些处理器要么分别解决较小的子问题然后合并结果，要么作为一个更强大的统一系统协同运行。这些创新使IBM得出两个结论：

1. 模块化是量子处理器长期扩展的关键。
2. 传统自包含式低温恒温器将不适合未来的互联量子系统。

IBM的新型模块化低温恒温器采用成熟的稀释制冷机技术来冷却量子处理器，但通过箱形低温“单元”的设计超越了前代产品。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，并能可靠地与相邻单元连接。柱形低温恒温器需要处理器之间的长距离且嘈杂的连接，而模块化箱体设计使单元能够紧密并排，互联路径更短。通过以更低开销实现量子信息在处理器之间的移动，并为其他低温电子器件提供更多空间，该架构为可扩展、互联的量子系统铺平了道路，这些系统将成为容错计算机的基础。

模块化低温架构为何更易于维护、升级和扩展？

采用新的模块化方法后，每个低温单元都配备了自己的真空室、冷却硬件和热屏蔽。当两个或更多单元连接时，量子电缆通过一个单元的开口进入相邻单元，多层热屏蔽相互连接，在系统之间形成受保护的低温隧道。该隧道连接处理器，同时维持量子系统所需的低温。

该架构的优势还不仅限于连接性。即使连接在一起，屏蔽层的设计也能将相邻单元之间的热相互作用降至最低。随着更多单元被连接，冷却时间和温度稳定性保持一致，从而实现高度可扩展且不影响计算性能的系统。

此外，这种模块化使得未来逐单元升级的实施大大简化。每个单元比以往任何低温解决方案都更大，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立方米的真空室容积。其尺寸支持部署更大的单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，而无需重新设计整个低温系统。

IBM为何不采用现有的低温模块化方案？

与通用模块化低温解决方案不同，IBM的模块化方法是专门为IBM量子计算机设计的。该架构旨在与IBM在互联多芯片量子系统方面的长期目标保持一致，每个方面都针对读出布线、处理器设计和低温电子学进行了定制。IBM已经在纽约州波基普西的量子设施中实际演示了这一架构，两个模块化低温单元原型成功耦合并协同运行。

这种模块化方法专为长期扩展和IBM特定硬件而设计，随着系统增长，无需重新设计整个低温基础设施，从而支持下一代量子系统。

模块化低温恒温器如何融入IBM量子发展路线图？

由于未来版本的单个低温单元预计每个可支持数千个量子比特——高于IBM当前在任何单芯片上制造的量子比特数量——这种新型模块化低温恒温器架构引入了在通往容错量子计算道路上支持更大量子系统所需的基础设施。

重要的是，在IBM Quantum Starling问世之前，IBM的研究人员将可以使用这一架构进行探索，从而验证量子硬件中的关键能力。研究人员还可以使用这些低温恒温器来测试IBM模块化容错架构中的关键组件，例如l-couplers——一种于2024年首次演示的长距离量子互连。l-couplers是为了实现量子芯片之间的长距离连接而开发的电缆，可在稀释制冷机内部工作，并在米级尺度上连接QPU（量子处理单元）。

模块化低温恒温器为未来几代量子硬件提供基础，且无需对底层低温基础设施进行重大重新设计，从而在当今的单芯片部署与IBM量子发展路线图上更大规模、互联的系统之间架起了一座桥梁。