全球首曝！IBM成功实现首批模块化低温系统互联

模块化方法用于量子处理器的封装和冷却，为互联、容错系统开辟了道路。

8月19日，IBM宣布已经完成首批模块化低温系统的连接：两个低温模块被连接在一起，并被冷却至低于15毫开尔文的单一环境。该新架构旨在扩展到模块化、共享和超冷系统，将数百个量子芯片连接到更强大的量子计算机中，能够解决大型问题。

同时，这一架构的部署是IBM迈向2029年IBM Quantum Starling交付的里程碑，预计该系统将成为全球首款容错量子计算机，并将整合纠错、处理器设计、解码和系统工程等领域的进步。

IBM研究总监兼IBM研究员Jay Gambetta表示：“将容错量子计算机带入工业界，依赖于若干根本性的进步。这些低温模块的成功连接和运行标志着这一方向的飞跃，并将加速我们在量子硬件、软件和算法领域的持续创新中取得的进步。”

两个低温模块

传统量子计算机的低温系统采用圆柱形设计，业内俗称“吊灯式”结构。这种设计在单芯片时代够用，但当你要把多个处理器连接在一起时，圆柱形就暴露出致命缺陷：处理器之间的连接路径太长，信号损耗和噪声都难以控制。

显然，传统的独立式低温恒温器将不适用于未来的互联量子系统。

IBM的新型模块化低温恒温器采用成熟的稀释制冷技术来冷却量子处理器，但其超越以往产品的创新之处在于采用了盒状低温“单元”的形式。每个单元由实心铝板和框架构成，尺寸大约是家用冰箱的3倍，提供约0.53平方米的布线面积和2.75立方米的真空腔体体积。

更重要的是，这些方盒子可以紧密排列，相邻单元之间通过多层热屏蔽层形成“低温隧道”，量子线缆可以直接从一个单元穿到另一个单元。

图：模块化低温恒温器内部

IBM研究员、量子中心超级计算首席技术官Jerry Chow明确表示：“这是我们第一个共享超低温环境，允许多个芯片在其中相互连接，它真正提供了所需的高密度布线空间。我们正在将整个系统架构向一个统一、强大的方向演进。”

根据IBM官方公布的数据，首批两个运行模块合计高度超过8英尺、宽度超过8英尺。初步测试显示，它们可以在不到5天内共同冷却至4开尔文，随后很快达到低于15毫开尔文的最终温度，这个温度比深空还要冷180倍以上。

图：两个连接的模块化低温恒温器原型在纽约州普格基普西运行

或许有人会问，为什么IBM不采用现有的低温模块化方案？与通用型模块化低温解决方案不同，IBM的模块化方案是专为IBM量子计算机设计的。

该架构旨在与IBM构建互联多芯片量子系统的长期目标保持一致，其各个方面都经过精心设计，以推进读出线路、处理器设计和低温电子技术的发展，从而专用硬件而设计，避免随着系统发展而重新设计整个低温基础设施的需要。

L-Coupler

模块化低温系统解决的是空间和冷却问题，但要让多个处理器真正协同工作，还需要解决量子信息在芯片间传输的问题。IBM的解决办法就是使用“L-coupler”微波线缆技术。

L-coupler的本质是一种可在稀释制冷机温度下工作的超导电缆，能在相隔约一米左右的量子处理器之间传输微波光子，实现量子态的转移和纠缠门操作。

不过线缆连接并不是简单的物理线路，IBM的专利文件表明，他们还在量子处理器和L-coupler线缆之间专门设置了一枚“中介芯片”。这枚芯片可以缓冲连接物理线路中的机械应力，并减少可能干扰脆弱量子态的微波串扰，相当于给高保真度的信号传输加装了一道保护层。

IBM在2024年首次演示了这项技术，并报告实现了99.3%的双量子比特门保真度，目标是提高到99.9%。

SemiQon的首席技术官Janne Lehtinen在受访时表示，多芯片之间的连接速度最终需要接近芯片内部双量子比特门的速度，“99.9%听上去是一个非常合理的指标”。

IBM路线图的技术验证和落地进度也都已经相当清楚了。

今年晚些时候，IBM会将Nighthawk处理器安装到这些低温模块中，开始系统级的性能测试。2027年，IBM计划通过L-coupler把多个处理器连接成一个至少拥有1000个可编程量子比特的更大系统。这也将是2029年Starling容错系统交付前的关键硬件基础。

100亿美元和2029年

IBM对容错量子计算机的承诺不是口头上的。公司宣布将在未来5年内投资超100亿美元用于量子计算研发和商业化，计划在2029年推出IBM Quantum Starling。

Starling的目标参数是明确的：在200个逻辑量子比特上运行由1亿个量子门组成的电路。这背后是IBM在纠错码方面的突破。其去年推出的新纠错码大幅降低了实现容错所需的物理资源。此后，公司又展示了核心硬件组件和高效纠错解码方面的进展。

不过，行业观察家也提出了一些务实的问题。

EE Times相关文章中指出，每个模块约2000个量子比特的容量，其乘以多个模块，布线和控制仍然是根本性挑战。按照今天的方案，每个量子比特差不多要用到2.5条同轴线缆，加上衰减器、放大器、耦合器、连接器等，当系统扩展到数千甚至数万量子比特时，连接器的数量将达到数百万级别，“在这种机械组装中有太多可能出错的地方”。

对此，IBM回应称，公司正在研究低温CMOS技术，特别是用于可调耦合器。这意味着一些控制电子设备将逐步移入低温环境，减少室温线缆。

同时，模块化设计的另一个好处是布线区域可以独立更换而不必重建整个低温系统，为未来的技术迭代留出了空间。

图：IBM的新模块化低温架构

模块化是量子处理器长期扩展的关键

模块化正在成为量子计算行业从实验室走向工程化的共识。

这背后的逻辑非常明确：单芯片扩展在物理层面已经逼近天花板，量子计算要在2030年左右实现容错、达到实用规模，必须走新的架构突破之路。

行业内的信号非常明确。2025年，欧盟资助的Q-Exa联盟启动了一个为期三年的项目，该项目的目标，就是要验证“针对容错量子计算的多芯片扩展解决方案”。项目协调员、于韦斯屈莱大学教授Matti Silver在项目启动时表示，量子计算的下一步就是要从“寻求更大芯片”转向“如何将小型QPU互联”。

同时，荷兰量子计算公司QuantWare宣布研发基于倒装芯片技术的多芯片量子处理器，通过三维集成的方式把多个芯片在垂直方向上进行连接。他们计划在2026年之前实现可扩展的多芯片系统。这些动作都指向同一个判断：模块化互联是下一代量子硬件不可绕开的核心命题。

从技术路径来看，模块化能够同时解决两个层面的问题。

物理层面，它绕开了单芯片布线空间的物理极限，扩展布线面积从单芯片的毫米级到模块级别的平方米量级。错误率层面，模块化互联把大规模量子系统划分为多个相对独立的子模块，每个子模块内部的量子比特数和串扰都控制在“可控范围”。这是一种“分而治之”策略，系统规模和性能不再呈反比关系。

IBM并不是唯一意识到这一点的公司，但它是目前唯一完成两个完整模块化低温单元耦合运行并投入实际测试的公司。

这种先行优势意味着，当行业共识逐步转向模块化时，IBM已经拥有从硬件架构到系统集成的工程经验。

当然，对整个行业来说，模块化的意义已经超越了路线图本身的意义，它意味着量子计算从单芯片竞赛进入系统级工程竞争的新阶段。

[1]https://newsroom.ibm.com/2026-08-19-ibm-connects-its-first-modular-cryogenic-systems-in-milestone-toward-fault-tolerant-quantum-computing

[2]https://www.ibm.com/quantum/blog/modular-cryogenics

[3]https://www.ibm.com/quantum/hardware#roadmap

[4]https://www.networkworld.com/article/4211187/ibm-moves-closer-to-fault-tolerant-quantum-computing-at-scale.html

[5]https://www.eetimes.com/ibm-makes-quantum-cryogenics-modular-but-scaling-problems-remain/