IBM 的新型“量子冰箱”比深空冷近 200 倍，有望为容错量子计算铺平道路

IBM 披露了一种新型模块化超低温系统，旨在将数百个量子计算机芯片连接在一起，以解决该领域最大的基础设施瓶颈之一。

该公司表示，其新型“量子冰箱”将使其能在 2029 年交付世界上第一台容错量子计算机。这些稳定的系统使用 量子纠错 技术实时修复噪声，并无间断地运行量子操作。

实现容错将使计算机科学家能够 在广泛的领域开展新的研究。无论是在化学、材料科学还是理论物理领域，研究人员都可以进行远超现代超级计算机能力的量子操作，而不必担心过多的错误导致计算失效。

直到目前，在当今易出错系统与能够完美执行 1 亿次操作的容错超导量子计算机之间，最大的障碍之一一直是基础设施。IBM 代表表示，他们通过其模块化、互连的量子冰箱解决了这个问题。

这种新型低温系统由高度为 8 feet (2.4 m)、宽度为 8 feet 的独立单元组成，内部容量约为 9 cubic feet (0.25 cubic m)。

它看起来像一台家用冰箱，工作原理也与之相似，但其温度可低至 10 millikelvins (minus 459.65 degrees Fahrenheit，或 minus 273.14 degrees Celsius) ‪—‬ 接近 绝对零度，即理论上可能的最低温度 —— 这比 深空 还要冷 180 多倍。

这些极低的温度对于 IBM 的超导 量子处理单元 (QPUs) 正常运行至关重要，而模块化设计允许工程师分阶段扩展系统的能力和功率。

据 IBM 代表称，这一里程碑代表了科学家首次证明了独立低温模块之间的 QPUs 互连性。

模块化量子计算

就像它们的经典计算对应物一样，超导量子计算机使用内置电路或“门”来执行处理操作。然而，工程师在每个芯片上只能挤入有限数量的 qubits，且在 IBM 的架构中，每个芯片都需要冷却到 15 mK (minus 459.64 F，或 minus 273.14 C) 以下才能正常工作。

这是因为 qubits 天生带有噪声 —— 这意味着它们自然比传统的计算组件更容易出错。为了利用 qubits 中超导金属的量子力学特性而不导致计算失败，科学家必须将来自热量以及诸如 电磁 波等其他刺激的干扰降至最低。

为了在新型冰箱中达到这些温度，工程师使用了第三方低温硬件，依靠氦气低温压缩机配合商用稀释制冷机进行冷却。他们使用真空密封外壳、电磁干扰密封垫和多层 Mylar 超绝缘隔热罩来维持热防护。

IBM 代表在一份 声明 中表示，模块需要 4 天以上的时间才能达到约 4 K (minus 452.47 F，或 minus 269.15 C) 的温度，此后不久便会降至 sub-15-mK 的温度。

扩展到几百或几千个门之外需要更多的芯片和空间。但工程师不能只是建造一座巨大的超低温建筑并将其填满 QPUs。这将需要大量的基础设施并使系统变得脆弱。每当工程师需要升级系统、排除硬件故障或检查芯片时，他们都必须破坏温度密封，这可能会中断操作。