量子計算機核心的嚴酷溫度和脆弱的量子態對支持它們的電子設備施加了極大限制。迄今為止，量子計算公司不得不自行解決這些挑戰，但隨著該領域的成熟，一個新興的量子零部件產業正在涌現，提供現成解決方案。

超導量子比特和硅自旋量子比特——兩項最流行的量子計算技術——都需要極低溫度才能防止熱噪聲干擾計算。這意味著它們必須保存在專用稀釋冰箱中，冷卻溫度可降至約20毫利科爾文（-273.13攝氏度）。

這些冰箱空間有限，在極低溫度下冷卻能力也非常有限。冷卻功率是設備在一定時間內能去除多少熱量的指標，隨著溫度接近絕對零度，散熱量呈指數下降。傳統的控制電子設備散熱過多，無法集成在這些冰箱內部。因此，量子計算機通常依賴通過笨重電纜連接到量子比特的外部硬件機架，這些機架還可能向冰箱內部引入大量熱量。

這不僅節省了空間和制冷預算，還大大限制了每臺冰箱可容納的量子比特數量。不過現在，初創公司正在開發專為這些具有挑戰性的低溫環境設計的電子設備、放大器和電纜。芬蘭初創公司SemiQon首席科學官Janne Lehtinen表示，這將實現量子比特與電子設備的更緊密集成，顯著提升每臺冰箱內可壓縮的計算能力。

他說，這個專業組件供應商生態系統正在迅速形成，反映了經典計算早期的發展。Lehtinen說：“起初是少數幾個人包攬一切，但當事情開始加快時，這個部門被劃分為許多專業領域，”Lehtinen說，“所以你不必事事都做得最好，但你從市場上挑選了最好的。我認為現在這種情況也開始在量子領域發生了。”

零下CMOS

SemiQon開發了一種針對低溫優化的新型CMOS晶體管，有望使控制電子設備能夠在稀釋冰箱最冷的部分工作。通過優化晶體管設計和材料，他們成功大幅降低了開關閾值，使其能夠在極低電壓下工作。這意味著它們幾乎不散熱，能在低至20毫卡的溫度下工作，而不會超出冰箱的制冷預算。

Lehtinen表示，這可能為控制與量子比特并行運行的電子設備打開大門，從而顯著減少其物理占地面積，并使每個器件能夠容納更多量子比特。目前公司能夠用幾千個晶體管構建電路，這已經足以制造出多路復用器和開關等實用元件。但他們預計在兩年內能夠制造出能夠控制約100量子比特量子處理器的低溫微控制器。

降低噪聲的放大器

在許多量子計算機架構中，另一個關鍵的支持元件，也是主要的熱源，是信號放大器。量子比特的輸出信號極其微弱，這意味著在被傳統電子設備處理之前，需要大幅放大。但用于增強這些信號的放大器會產生大量熱量，消耗了冰箱制冷預算的50%，加拿大初創公司Qubic Technologies的首席執行官Jér?me Bourassa表示，該公司正在開發一種新型超導放大器。

稀釋冰箱分為不同階段，工作溫度從室溫到幾毫開爾文不等。Bourassa表示，在最冷的階段，通常使用基于約瑟夫森結的超導放大器來增強信號，因為它們產生的熱量非常少。但它們無法提供足夠的提升來把信號從冰箱里發出來。這需要第二組更強大的半導體放大器，產生數十毫瓦的熱量，因此必須安裝在4開爾文級，那里仍有顯著的冷卻功率。

然而，隨著量子比特數量的增加，所需放大器數量也隨之增加。“在某個階段，你會達到臨界點，無法獲得足夠的冷卻能量來去除放大器中的熱量，”Bourassa說，“所以你現在只能在冰箱里有限數量的量子比特。”

Qubic創造了一種新型超導放大器，不依賴約瑟夫森結，而是使用由專有鈮合金制成的波導。Bourassa表示，該設計能夠提升信號，達到與傳統半導體放大器相當的程度，但由于其為超導，散熱量減少了1萬倍。

這些放大器可以在密開爾文溫度下工作，但當前設計產生過多噪聲，無法在量子比特附近工作。Bourassa表示，目標是將超導放大器作為替代半導體放大器的替代品，而半導體放大器目前消耗了冰箱的大部分冷卻預算。這些設備將于2026年上市，公司已開始與領先的量子計算機開發商合作。

一種靈活的布線解決方案

目前限制單個稀釋冰箱容納量子比特數量的下一個罪魁禍首是電纜。目前，大多數量子計算機依賴于笨重且核心帶有較粗金屬線的同軸電纜，這些電纜可以將熱量傳導到系統中，荷蘭初創公司Delft Circuits的產品官Daan Kuitenbrouwer表示。

它們還需要定期中斷，既用于連接信號濾波器等其他組件，也用于冷卻電纜段至適合各級的溫度。庫滕布勞爾說，這可能需要多達20個互連，每個互連都可能成為潛在的故障點。“如果你冷卻一個系統，不同材料的熱收縮不同，所以收縮方式也不同。”他說，“如果你經常這樣做，最終它就會磨損壞掉。”

因此，代爾夫特開發了一種超導柔性電纜，更緊湊，減少連接數量，并顯著減少熱量輸送到冰箱。該裝置外觀類似于柔性印刷電路板的條狀結構，具有八根相鄰的導線。在4K以上的階段，導線由銀制成，以下則由鈮-鈦超導體制成。

Kuitenbrouwer說，由于這些導線比同軸電纜細得多，因此它們對系統內的熱量傳遞非常有限，而且這意味著只需在每個溫度階段將彎曲部分夾在兩個金屬部件之間即可冷卻。信號濾波器等元件也直接集成在電纜中。這意味著電纜只需兩個連接器——一個在冰箱頂部，另一個在銀鈦過渡處。

未來的量子主板

未來，代爾夫特計劃利用同樣技術制造庫滕布勞爾所稱的“量子主板”——一塊嵌入連接線的二維板材，可在低溫下集成各種組件。公司預計未來的量子計算機將采用芯片組架構，集成多個更小的量子處理單元和低溫控制電子設備，全部集成在同一芯片上。

“你會看到一整套由各種功能部件組成的動物園，所有部件都必須相互連接，”庫滕布勞爾說，“所以你基本上需要的是非常高密度、極低損耗的互連，這正是超導柔性能提供的。”

所有這些新興零部件創新的核心是節省空間和冷卻預算的需求。對于庫比克的布拉薩來說，這是量子產業實現實現其宏偉抱負所需的規模的唯一途徑。“能夠去除熱量，能夠讓系統更緊湊，這無疑是未來可行的路徑，無論是在電力方面還是經濟上。”他說。