IBM 宣布了一种用于其超导量子计算机的新型模块化冷却系统架构，旨在突破单芯片量子处理器扩展方面的限制。该设计采用可并排连接的独立冷却单元，使信息能够通过量子和传统连接在多个处理器之间传递，而不是将运算限制在单个处理器内部。
IBM 的超导量子计算机在低于外太空的温度下运行，因此需要稀释制冷机（dilution refrigerators）和专用热屏障，以使量子态在足以执行计算的时间内保持稳定。该公司认为，增加量子比特数量不仅需要更大的处理器，还需要一种能够容纳多个处理器并将其连接起来、同时保持热稳定性的冷却架构。
从圆柱形结构到可连接单元
目前的量子系统通常放置在采用真空隔热的圆柱形容器中。这一方案帮助 IBM 从 2016 年推出的首台可通过云端使用、包含五个量子比特的量子计算机，发展到其于 2023 年公布的 IBM Quantum Condor 处理器；后者拥有超过 1000 个量子比特。但在单个芯片上扩展会受到空间、热量产生以及量子比特之间不必要干扰等因素的限制。
相比之下，新型单元采用箱式结构，由铝制面板和框架制成。每个单元都包含完整的冷却环境，包括独立的真空腔、冷却设备和热屏障；专用开口则可将量子电缆连接至相邻单元。让单元彼此贴合，有助于缩短连接路径，相比圆柱形容器之间的长距离连接更为紧凑。
实际会发生哪些变化？
热防护层经过设计，可限制相邻单元之间的热相互作用。IBM 表示，随着新增单元，冷却时间和温度稳定性预计仍将保持相近，从而能够在不影响计算性能的情况下扩展系统。此外，还可以逐个单元升级系统，而不必在引入新的量子处理器或量子电子设备时重新设计整个冷却架构。
每个单元可用于布线的面积约为 0.53 平方米，真空腔容积达到 2.75 立方米；单元体积约为普通家用厨房冰箱的三倍。这一空间为更大的处理器和更高密度的配置提供了余地，同时还可在低温环境中容纳更多连接和电子设备。
迈向容错量子系统的一步
IBM 通过在其位于纽约州波基普西的设施中运行两个相互连接的冷却单元，对这一新架构进行了实际测试。该公司认为，这项测试初步验证了构建多芯片量子系统所需的方法；此类系统可以将任务分配给相互连接的处理器，也可以将它们作为功能更强的统一系统运行。
IBM 将这一架构纳入其通往 IBM Quantum Starling 的发展路线，并将后者描述为首台容错量子计算机，预计于 2029 年推出。该公司还预计，未来版本的单个单元将支持至少 2000 个量子比特。这些系统将使研究人员能够测试 IBM 模块化量子架构中的组件，包括 l-couplers 连接器；该连接器于 2024 年首次展示，用于在最远达一米的距离内连接量子处理单元。