量子元件产业正在兴起

量子计算机核心的严酷温度和脆弱的量子态对支持它们的电子设备施加了极大限制。迄今为止，量子计算公司不得不自行解决这些挑战，但随着该领域的成熟，一个新兴的量子零部件产业正在涌现，提供现成解决方案。

超导量子比特和硅自旋量子比特——两项最流行的量子计算技术——都需要极低温度才能防止热噪声干扰计算。这意味着它们必须保存在专用稀释冰箱中，冷却温度可降至约20毫利科尔文（-273.13摄氏度）。

这些冰箱空间有限，在极低温度下冷却能力也非常有限。冷却功率是设备在一定时间内能去除多少热量的指标，随着温度接近绝对零度，散热量呈指数下降。传统的控制电子设备散热过多，无法集成在这些冰箱内部。因此，量子计算机通常依赖通过笨重电缆连接到量子比特的外部硬件机架，这些机架还可能向冰箱内部引入大量热量。

这不仅节省了空间和制冷预算，还大大限制了每台冰箱可容纳的量子比特数量。不过现在，初创公司正在开发专为这些具有挑战性的低温环境设计的电子设备、放大器和电缆。芬兰初创公司SemiQon首席科学官Janne Lehtinen表示，这将实现量子比特与电子设备的更紧密集成，显著提升每台冰箱内可压缩的计算能力。

他说，这个专业组件供应商生态系统正在迅速形成，反映了经典计算早期的发展。Lehtinen说：“起初是少数几个人包揽一切，但当事情开始加快时，这个部门被划分为许多专业领域，”Lehtinen说，“所以你不必事事都做得最好，但你从市场上挑选了最好的。我认为现在这种情况也开始在量子领域发生了。”

零下CMOS

SemiQon开发了一种针对低温优化的新型CMOS晶体管，有望使控制电子设备能够在稀释冰箱最冷的部分工作。通过优化晶体管设计和材料，他们成功大幅降低了开关阈值，使其能够在极低电压下工作。这意味着它们几乎不散热，能在低至20毫卡的温度下工作，而不会超出冰箱的制冷预算。

Lehtinen表示，这可能为控制与量子比特并行运行的电子设备打开大门，从而显著减少其物理占地面积，并使每个器件能够容纳更多量子比特。目前公司能够用几千个晶体管构建电路，这已经足以制造出多路复用器和开关等实用元件。但他们预计在两年内能够制造出能够控制约100量子比特量子处理器的低温微控制器。

降低噪声的放大器

在许多量子计算机架构中，另一个关键的支持元件，也是主要的热源，是信号放大器。量子比特的输出信号极其微弱，这意味着在被传统电子设备处理之前，需要大幅放大。但用于增强这些信号的放大器会产生大量热量，消耗了冰箱制冷预算的50%，加拿大初创公司Qubic Technologies的首席执行官Jérôme Bourassa表示，该公司正在开发一种新型超导放大器。

稀释冰箱分为不同阶段，工作温度从室温到几毫开尔文不等。Bourassa表示，在最冷的阶段，通常使用基于约瑟夫森结的超导放大器来增强信号，因为它们产生的热量非常少。但它们无法提供足够的提升来把信号从冰箱里发出来。这需要第二组更强大的半导体放大器，产生数十毫瓦的热量，因此必须安装在4开尔文级，那里仍有显著的冷却功率。

然而，随着量子比特数量的增加，所需放大器数量也随之增加。“在某个阶段，你会达到临界点，无法获得足够的冷却能量来去除放大器中的热量，”Bourassa说，“所以你现在只能在冰箱里有限数量的量子比特。”

Qubic创造了一种新型超导放大器，不依赖约瑟夫森结，而是使用由专有铌合金制成的波导。Bourassa表示，该设计能够提升信号，达到与传统半导体放大器相当的程度，但由于其为超导，散热量减少了1万倍。

这些放大器可以在密开尔文温度下工作，但当前设计产生过多噪声，无法在量子比特附近工作。Bourassa表示，目标是将超导放大器作为替代半导体放大器的替代品，而半导体放大器目前消耗了冰箱的大部分冷却预算。这些设备将于2026年上市，公司已开始与领先的量子计算机开发商合作。

一种灵活的布线解决方案

目前限制单个稀释冰箱容纳量子比特数量的下一个罪魁祸首是电缆。目前，大多数量子计算机依赖于笨重且核心带有较粗金属线的同轴电缆，这些电缆可以将热量传导到系统中，荷兰初创公司Delft Circuits的产品官Daan Kuitenbrouwer表示。

它们还需要定期中断，既用于连接信号滤波器等其他组件，也用于冷却电缆段至适合各级的温度。库滕布劳尔说，这可能需要多达20个互连，每个互连都可能成为潜在的故障点。“如果你冷却一个系统，不同材料的热收缩不同，所以收缩方式也不同。”他说，“如果你经常这样做，最终它就会磨损坏掉。”

因此，代尔夫特开发了一种超导柔性电缆，更紧凑，减少连接数量，并显著减少热量输送到冰箱。该装置外观类似于柔性印刷电路板的条状结构，具有八根相邻的导线。在4K以上的阶段，导线由银制成，以下则由铌-钛超导体制成。

Kuitenbrouwer说，由于这些导线比同轴电缆细得多，因此它们对系统内的热量传递非常有限，而且这意味着只需在每个温度阶段将弯曲部分夹在两个金属部件之间即可冷却。信号滤波器等元件也直接集成在电缆中。这意味着电缆只需两个连接器——一个在冰箱顶部，另一个在银钛过渡处。

未来的量子主板

未来，代尔夫特计划利用同样技术制造库滕布劳尔所称的“量子主板”——一块嵌入连接线的二维板材，可在低温下集成各种组件。公司预计未来的量子计算机将采用芯片组架构，集成多个更小的量子处理单元和低温控制电子设备，全部集成在同一芯片上。

“你会看到一整套由各种功能部件组成的动物园，所有部件都必须相互连接，”库滕布劳尔说，“所以你基本上需要的是非常高密度、极低损耗的互连，这正是超导柔性能提供的。”

所有这些新兴零部件创新的核心是节省空间和冷却预算的需求。对于库比克的布拉萨来说，这是量子产业实现实现其宏伟抱负所需的规模的唯一途径。“能够去除热量，能够让系统更紧凑，这无疑是未来可行的路径，无论是在电力方面还是经济上。”他说。