IBM新型低温系统模块化架构

# IBM全新模块化低温系统架构 | IBM量子计算博客 来源：https://www.ibm.com/quantum/blog/modular-cryogenics **核心要点：** - 量子计算机的可扩展性需要能够连接多个处理器并在更大系统中保持稳定性的冷却基础设施 - IBM全新的模块化低温架构在连接量子处理器的同时，支持未来升级、扩展及多芯片系统 - 模块化方案提升了量子系统的可靠性与可扩展性 - 新架构通过扩大布线容量与腔室体积，为未来硬件演进奠定基础 - 该架构是IBM量子路线图的关键一步：支持每个低温容器容纳至少2000个量子比特，并推动多芯片容错量子系统的开发 要释放量子计算的全部潜力，我们需要构建远超当前规模的量子系统。但这不仅需要制造包含更多量子比特的更大处理器——IBM超导量子计算机必须在低于外太空温度的环境下运行，这依赖高度专业的冷却系统。长期来看，制冷硬件也需要同步演进，而且其发展维度不仅在于尺寸。 未来的量子计算机将依赖多个处理器协同处理同一任务，容纳这些处理器的冷却系统必须具备互联与协同工作能力。为此，IBM推出了全新的模块化低温系统架构。该方案通过量子与经典双重链路连接处理器，使信息能在芯片间传输，从而突破单处理器算力限制，实现更复杂的量子算法。 这套新架构是IBM实现IBM Quantum Starling的关键基础组件——该首台容错量子计算机预计于2029年问世。目前我们已成功用两个耦合低温单元验证了该架构，为容错量子计算机所需的模块化方案提供了早期验证。 ***如需获取与日益强大的量子系统协同工作所需的知识、工具与访问权限，请访问IBM Quantum Platform (https://quantum.cloud.ibm.com/)。*** ## IBM模块化低温架构如何基于现有方案演进？ 当前的超导量子计算机通常封装于独立的圆柱形低温恒温器中：这种真空隔热容器通过稀释制冷机将处理器冷却至接近绝对零度。通过长期维持稀释制冷机的超低温环境，低温恒温器能最大限度减少余热、热噪声等潜在干扰源，使量子态能维持足够长时间以保障可靠计算。 IBM_Quantum_System_One_Fraunhofer_leadspace_093382792d.jpeg IBM Quantum System One——首款实验室外的IBM量子计算机，采用传统圆柱形低温恒温器。 该方案支撑了从2016年首款云访问量子计算机（仅5个量子比特）到2023年发布的1000+量子比特IBM Quantum Condor的现有量子计算机发展。然而这一进程也揭示了单芯片扩展的局限性——空间约束、过高热量产生及量子比特串扰带来了巨大挑战。量子比特串扰指量子计算机中特定比特的操作无意间影响相邻比特，导致噪声与计算误差的现象。 研究人员发现，通过将计算任务分配至多个互联处理器（分别求解子问题后汇总结果，或作为统一系统协同运行），有望突破这些限制。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. 传统自封闭式低温恒温器将不适用于未来的互联量子系统 IBM新型模块化低温恒温器采用成熟的稀释制冷机技术冷却量子处理器，但创新性地采用箱型低温单元设计。每个由实体铝板与框架构成的单元都是完整的低温环境，既能容纳量子处理器，又能与相邻单元可靠连接。相较于圆柱形恒温器需要长距离高噪声的处理器连接，模块化箱体设计允许单元紧密并排，实现短距互连。 IBM-Research_Union_04.jpg 模块化低温恒温器内部构造。金色“枝形吊灯”是多层稀释制冷机，最底层固定着量子处理器。 通过降低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充裕空间，该架构为构建可扩展、互联的量子系统（容错计算机的基础）铺平道路。 ## 模块化低温架构如何提升维护、升级与扩展性？ 在新模块化方案中，每个低温单元配备独立真空腔室、冷却硬件与热屏蔽层。当两个及以上单元连接时，量子电缆通过单元开口布线至相邻单元，多层热屏蔽相互连接，在系统间形成受保护的低温隧道。该隧道在连接处理器的同时，维持量子系统所需的低温环境。 该架构的优势不仅限于互联性。即使单元连接后，屏蔽层设计仍能将相邻单元间的热交互降至最低。随着连接单元数量增加，降温时间与温度稳定性保持恒定，确保系统高度可扩展且不干扰计算性能。 IBM-Research_Union_05.jpg 在纽约州波基普西运行的两个连接模块化低温恒温器原型。 此外，模块化设计使未来按单元升级变得更为便捷。每个单元大于以往任何低温解决方案，体积约为普通厨房冰箱的3倍，提供约**0.53平方米可用布线区域与2.75立方米真空腔室容积**。其尺寸支持部署更大单处理器与更密集系统配置，为未来几代量子硬件奠定基础，且无需重新设计整个低温系统。 ## 为何IBM不采用现有模块化低温方案？ 与通用模块化低温方案不同，IBM模块化设计专为IBM量子计算机打造。该架构完全围绕IBM互联多芯片量子系统的长期目标构建，每个细节都致力于优化读取布线、处理器设计与低温电子设备。 IBM-Research_Union_07.jpg IBM新型模块化低温架构内部解析。 我们已在纽约州波基普西的量子设施中实践验证该架构：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与IBM特定硬件设计，规避了系统增长时重新设计整个低温基础设施的需求，从而赋能下一代量子系统。 ## 模块化低温恒温器在IBM量子路线图中的定位？ 预计未来单个单元可支持至少2000个量子比特——超过IBM当前任何单芯片的制造规模。新型模块化低温恒温器架构为容错量子计算路径上支撑更大规模量子系统提供了必要的基础设施。 重要的是，该架构将在IBM Quantum Starling问世前向研究者开放，使我们能验证量子硬件的关键能力。研究人员可利用这些低温恒温器测试IBM模块化容错架构的核心组件，例如2024年首次展示的l-耦合器（远程量子互连）。这种为实现量子芯片远距连接而开发的线缆，可在稀释制冷机内运行，实现米级尺度的量子处理单元连接。 通过为未来几代量子硬件提供无需重大改造底层基础设施的基础，模块化低温恒温器在当今的单芯片部署与IBM量子路线图中更大规模的互联系统之间架起了桥梁。 ***随着IBM硬件持续演进，我们同步扩展软件与开发者能力，以释放量子系统的全部潜力。立即访问IBM Quantum Platform探索更多可能。***