趙嫺 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)
要打造更大規模的量子電腦，除了增加量子位元，也必須讓所有量子晶片穩定維持在接近絕對零度的環境中。
超導量子位元必須在極低溫下運作，以減少熱擾動與雜訊。目前的量子電腦通常使用獨立的圓柱形低溫恆溫器（cryostat），由稀釋製冷機將晶片冷卻至毫開爾文等級。然而，隨著系統持續擴大，單純把晶片和冰箱「做得更大」逐漸遇到空間、散熱、線路數量與量子位元串擾等限制。
因此，IBM 提出了一種新的「模組化低溫系統架構」。
新架構不再使用單一大型圓柱形低溫恆溫器，而是將低溫系統設計成可並排連接的箱型低溫單元（cryogenic cell）。每個單元都有獨立的真空腔體、冷卻設備與多層熱屏蔽，並可容納一個量子處理器及相關低溫電子設備。當兩個單元連接時，量子纜線可穿過相鄰單元之間的開口，而兩側的熱屏蔽則會形成一條受到保護的低溫通道。如此一來，不同量子晶片就能透過較短的量子與古典連線共同運作，同時維持所需的極低溫環境。
這種設計主要帶來三項優勢：
- 更容易擴展系統：未來若需要增加更多量子處理器，可以加入新的低溫單元，不必重新設計整套冷卻系統。IBM 預期未來單一低溫單元便能支援數千個量子位元。
- 縮短晶片之間的連線：傳統圓柱形低溫恆溫器若要連接不同處理器，通常需要較長且容易引入雜訊的線路。箱型單元可以緊密排列，縮短晶片間的連接路徑，降低跨晶片傳輸的額外負擔。
- 更容易維護與升級：每個低溫單元都能獨立升級。即使未來量子晶片、線路或低溫電子元件持續更新，也不必替換整套低溫基礎設施。
（製圖／趙嫺）
IBM 已在紐約州 Poughkeepsie 的量子設施中，完成兩個模組化低溫單元的連接與共同運作測試。每個單元約為一般家用冰箱的三倍大，提供約 0.53平方公尺的可用線路配置面積，以及2.75立方公尺的真空腔體空間。
這項技術也是 IBM 邁向多晶片容錯量子電腦的重要基礎。IBM 預計在 2029 年推出名為 Starling 的容錯量子電腦，而模組化低溫系統將協助不同量子處理器透過受保護的低溫通道互連，並可用來測試跨越約一公尺距離、連接不同量子處理器的 l-coupler。
因此，IBM 這次的突破並不是「做出更冷的冰箱」，而是重新思考量子電腦的低溫基礎設施：從一套獨立且難以擴充的設備，轉變成能持續拼接、升級與擴充的模組化系統，為未來多晶片容錯量子電腦奠定基礎。
資料來源
- IBM’s new modular architecture for cryogenic systems
https://www.ibm.com/quantum/blog/modular-cryogenics
