低温晶体管和超导电缆正在填充量子计算机产业链中的关键缺口。
在不久之前，量子计算公司还不得不自己开发并组装量子计算机的各类组件。但随着行业逐渐走向成熟，一批新兴供应商应运而生，专门提供维持量子比特脆弱状态所需的现成解决方案——从低温晶体管到超导柔性线缆，应有尽有。
无论是超导量子比特还是硅自旋量子比特（目前最主流的两种技术路线），都必须工作在极低温环境下，以避免热噪声干扰计算。这意味着它们需要被安置在特殊的稀释制冷机内部，温度可低至约20毫开尔文（−273.13℃）。
当温度逼近绝对零度时，制冷机的散热能力极其有限。因此，量子计算机通常将量子比特放在制冷机内部，而将控制电子设备（以及它们产生的热量）布置在外部的硬件机架上。
这就需要在制冷机内部走大量粗重的同轴线缆来连接量子比特与控制设备，不仅挤占空间，还严重限制了单台制冷机可容纳的量子比特数。如果能将更多组件集成到稀释制冷机中，同时不明显增加冷却负担，量子计算机就能做得更小、更高效。
如今，初创企业正在针对这种极具挑战性的低温环境专门开发电子元件、放大器和线缆系统。芬兰公司SemiQon的首席科学官扬内·莱赫蒂宁（Janne Lehtinen）指出，这些组件有望实现更紧密的量子比特与电子设备集成，从而大幅提升单台制冷机的计算能力。
“这个专业化组件供应商的生态系统正在迅速崛起，其发展轨迹与经典计算机早期历程如出一辙。”莱赫蒂宁说，“最初少数玩家包揽一切，但随着发展加速，逐渐分化出多个专业化领域。这样一来，你不需要精通所有环节，只要从市场中选择最优产品即可。”
SemiQon开发了一款新型互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管，针对低温环境进行了优化，使控制电子设备能在稀释制冷机内运行。该公司大幅降低了晶体管的开关阈值电压，使其能在超低电压下工作，且几乎不产生热量。这意味着它们可以跟量子比特一起待在制冷机最冷的地方，尽管那里的冷却能力非常有限。
目前SemiQon能够生产包含数千个晶体管的电路，足以制造多路转换器和开关等实用组件。莱赫蒂宁预计，公司将在两年内推出能控制100量子比特处理器的低温微控制器。
信号放大器是量子计算机中的另一大热源。量子比特输出的信号极其微弱，需要大幅放大才能被传统电子设备处理。加拿大初创公司Qubic Technologies的首席执行官杰罗姆·布拉萨（Jérôme Bourassa）指出，目前已经有一些超导信号放大器，它们产热极少，可以放在稀释制冷机内与量子比特共存，但提供的增益不足以将信号传出制冷机。因此还需要再加一组更强大的放大器，放在制冷机4开尔文（约−269℃）的独立区域中，但会产生较多热量。
随着量子比特数量增加，所需放大器的数量也会同步增长。“达到某个临界点后，制冷机的冷却功率将不足以消散放大器产生的热量，”布拉萨表示，“所以制冷机可容纳的量子比特有限。”
Qubic研发了采用专有铌合金的新型超导放大器。布拉萨说，该设计能实现与传统强力放大器同等的信号增益，但它的超导特性类似第一组放大器，可将散热减少至先前产品的万分之一。这意味着这类放大器能在毫开尔文温区运行。但布拉萨指出，当前设计的噪声过高，无法直接靠近量子比特。因此Qubic并未完全替换现有两组放大器，而是计划用其超导放大器替代占用制冷机大部分冷却能力的强力放大器组。该公司表示将于2026年推出产品。
线缆系统是限制单台稀释制冷机量子比特数量的最后一个因素。大多数量子计算机依靠同轴线缆传输控制信号并读取量子比特的输出。Delft Circuits公司首席产品官达安·凯腾布劳沃（Daan Kuitenbrouwer）指出，这些线缆体积庞大，核心金属导线相对较粗，容易将热量导入系统。而且线缆与组件的每一处连接都是潜在的故障点。
Delft Circuits开发了更紧凑的超导柔性线缆，可以大幅减少连接点，并显著降低导入制冷机的热量。用于稀释制冷机最冷区域的线缆采用铌钛超导体材料，4开尔文温区部分则使用金属银。凯腾布劳沃说，这些线缆的直径远小于同轴线缆的导线，几乎不向系统传导热量。
Delft Circuits计划采用同样的技术，最终打造他们所称的“量子母板”——一种嵌有连接导线的二维基板，能在低温环境下集成各类组件。该公司期待未来量子计算机采用芯粒架构，将多个小型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。
“各类不同功能的组件构成庞大的集合，必须实现互连，”凯腾布劳沃说，“本质上需要超高密度、超低损耗的互连方案，这正是超导柔性技术所能提供的。”
在Qubic公司的布拉萨看来，量子产业要想实现其宏大抱负所需的规模，唯一途径是整合所有新兴组件以节省空间和冷却预算。“提升散热能力、让系统更紧凑，无疑是通向未来可行方案的道路，无论是能效层面还是经济层面。”
作者：Edd Gent
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发表于 3 小时前
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