【产通社，12月12日讯】由于极低温度和脆弱的量子态，量子计算机核心对外围电子设备的要求极其苛刻。到目前为止，量子计算公司不得不自己独立解决这些挑战，但随着该领域的成熟，一个新兴的量子组件行业正在兴起，专业提供现成的解决方案和配套服务。
超导和硅自旋量子比特——两种最流行的量子计算技术——都需要极低的温度来防止热噪声干扰它们的计算。这意味着，它们必须保存在能够冷却到约20毫开尔文（-273.13°C）温度的特殊稀释冰箱中。
这些冰箱在如此低的温度下空间有限，冷却能力也非常有限。冷却功率是衡量设备在一定时间内可以去除多少热量的指标，随着温度接近绝对零度，冷却功率呈指数下降。传统的控制电子设备散热太多，无法集成在这些冰箱内。因此，量子计算机通常依赖笨重的电缆，将量子位连接到外部硬件机架，但这些电缆也会将大量热量引入冰箱。
这是对空间和冷却预算的低效使用，并严重限制了每个冰箱中可以压缩的量子位数量。不过现在，初创公司正在开发专门为这些具有挑战性的低温环境设计的电子产品、放大器和电缆。芬兰初创公司SemiQon的首席科学官Janne Lehtinen表示，这可能会使量子比特和电子产品的集成更加紧密，从而显著提高每个冰箱内可以压缩的计算能力。
他说，这个由专业组件供应商组成的生态系统正在迅速崛起，反映了经典计算早期的发展。Lehtinen说：“起初，少数研究人员需要什么都做，但当行业开始加速时，就形成了许多专业领域。你不必在所有方面都做到最好，但却可以从市场上获得最好的东西。现在，这也开始在量子领域发生。”

零度以下运行的CMOS

SemiQon开发了一种针对低温进行优化的新型CMOS晶体管，可以控制电子设备在稀释冰箱的最冷部分运行。通过优化用于构建晶体管的设计和材料，他们设法大幅降低了开关阈值，使其能够在极低的电压下工作。这意味着它们几乎不散热，能够在低至20mK的温度下工作，而不会耗尽冰箱的冷却预算。
Lehtinen说，这可能会打开与量子位一起工作的电子控制设备的大门，大大减少它们的物理足迹，并在每个设备中压缩更多的量子位。目前，该公司可以用几千个晶体管构建电路，这已经足够制造多路复用器和开关等有用组件。预计两年内，他们将生产出一种低温微控制器，能够控制大约100个量子比特的量子处理器。

降低噪声的放大器

许多量子计算机架构中的另一个关键支持组件是信号放大器，它也是可能的主要热源。量子比特的输出信号极其微弱，需要被大幅的放大，然后才能被传统电子设备处理。加拿大初创公司Qubic Technologies的首席执行官Jérme Bourassa表示，用于增强这些信号的放大器会产生大量热量，这些热量会消耗50%的冰箱冷却预算。Qubic正在开发一种新型超导放大器。
稀释冰箱分为不同温度下运行的几个阶段，从室温到几毫开尔文。Bourassa说，在最冷阶段，基于约瑟夫森结（Josephson junction）的超导放大器通常用于增强信号，因为它们产生的热量很少。但它们并没有提供足够的推动力来将信号从冰箱中取出。这需要第二组更强大的半导体放大器，但会产生数十毫瓦的热量，因此需要安装在4开尔文级，在那里仍然有很大的冷却能力。
然而，随着量子比特数的增加，所需放大器的数量也会同步增加。“在某些时候，你会达到一个临界点，你没有足够的冷却能力来去除放大器的热量，”Bourassa说。“所以现在只能在冰箱里使用有限数量的量子位。”
Qubic创造了一种新型超导放大器，它不依赖于约瑟夫森结，而是使用由专有铌合金制成的波导。Bourassa说，该设计能够将信号增强到与传统半导体放大器相同的程度，但由于是超导的，它将散热量减少了10000倍。
这些放大器可以在毫开尔文温度下工作，而现有设计会产生太多的噪声，无法在量子比特附近工作。Bourassa说，他的目标是使用超导放大器作为半导体放大器的直接替代品，目前半导体放大器占据了冰箱的大部分冷却预算。这些新设备将于2026年上市，该公司已经与领先量子计算机开发商合作。

灵活的布线解决方案

目前限制单个稀释冰箱中量子比特数量的下一个罪魁祸首是布线。荷兰初创公司Delft Circuits的首席产品官Daan Kuitenbrouwer表示，目前大多数量子计算机依赖于笨重的同轴电缆，其核心带有一根相对较粗的金属线。金属线将热量传导到了系统中，还必须定期中断，以便与信号滤波器等其他组件连接，并将电缆部分冷却到每个阶段的正确温度。
Kuitenbrouwer说，这可能需要多达20个互连，每个互连都可能是潜在的故障点。“如果你冷却一个系统，不同的材料会有不同的热收缩，所以它们会以不同的方式收缩。如果你经常这样做，它就会在某个时候磨损和破裂。”
因此，Delft开发了一种更紧凑的超导柔性电缆，减少了所需的连接数量，并显著减少了进入冰箱的热传输。该设备看起来类似于柔性印刷电路板条，具有八条相邻的电线。在4K以上阶段，导线由银制成，在4K以下阶段，它们由铌钛超导体制成。
Kuitenbrouwer说，这些电线比同轴电缆中的电线薄得多，它们向系统传导的热量很小，这也意味着它们可以通过在每个温度阶段简单地夹在两个金属部件之间来冷却，信号滤波器等组件也直接集成到电缆中。这意味着，新型电缆只需要两个连接器——一个在冰箱顶部，另一个在从银到铌钛的过渡处。

未来的量子主板

未来，Delft计划使用相同的技术来制造Kuitenbrouwer所说的“量子主板”——一种注入连接线的2D板，可以在低温下集成各种组件。该公司预计，未来的量子计算机将采用小芯片架构，将多个较小的量子处理单元和低温控制电子元件集成在同一芯片上。
不过，将所有这些新兴组件创新结合在一起，需要节省空间和冷却预算。对于Qubic的Bourassa来说，这是量子产业实现其雄心壮志所需规模的唯一途径。他说：“有能力去除热量，有能力使系统更加紧凑，这绝对是通往未来的可行道路，无论是电力方面还是经济上。”

查询进一步信息，请访问官方网站https://spectrum.ieee.org/quantum-components-industry?utm_source=homepage&utm_medium=hero&utm_campaign=hero-2025-12-09&utm_content=hero4。（Robin Zhang，产通数造）