IBM用四根超导线缆实现芯片级协同，打破量子比特拥挤魔咒

近日，来自 IBM 的科学家刚刚用四根长达 80 厘米的铝制线缆，将两块大型超导量子芯片连接在了一起，创下了平均 99% 的量子态传输保真度纪录，标志着量子计算正式迈入了模块化拼装的新阶段。

之前，人们总以为要把量子计算机造得足够强大，就必须在一块芯片上塞进更多的量子比特。但是，当芯片变得过于庞大时，脆弱的量子态非常容易受到干扰而崩溃。通过特制的长距离耦合器把多块独立芯片连接起来协同工作，成了突破规模瓶颈的必经之路。

IBM 这项突破到底有多厉害？这得先看看量子计算机现在面临着什么困境，人们今天用的普通电脑，芯片里面装的是晶体管，依靠电子的流动去处理信息。而量子计算机依靠的则是量子比特，它们遵循微观世界的奇特物理规律。

量子比特十分娇贵，稍微有一点点的热量或者电磁波干扰，它们就会失去原有状态，导致计算出错误。为了让量子计算机能够解决那些传统计算机算到天荒地老也算不出来的难题，人们需要把成千上万个量子比特放在一起工作。

但是把越多的量子比特挤在一块芯片上，控制它们的难度就成倍地增加。这就好比一间大学教室里的学生越来越多，当学生人数膨胀到几百上千人时，即便教授用大喇叭讲课，后排的学生也听不清，课堂纪律以及互动效果都会大打折扣。

为了避开这个量子物理极限，IBM 的科学家们换了一种思路，决定把大班级拆分成为几个小班，安排在各自独立的教室里面上课，然后再通过校园广播系统把这些教室进行连接起来，借此实现统一调度。

这次实验之中，他们拿出两块各自拥有 120 个量子比特的处理器，把它们放入接近绝对零度的极寒稀释制冷机里。在这样极端的低温之下，某些材料会失去电阻，从而变成超导体，进而让量子比特保持稳定。

（来源：IBM）

为了能够连通这两块芯片，他们专门设计了四根长达 80 厘米的超导铝制同轴电缆，这种硬件被称之为长距离耦合器。这些线缆就像高速通道一样，让极其微弱的量子信息可以在两块独立的芯片之间穿梭。

把量子信息通过线缆完整地传输过去，是一项富有挑战的技术活。量子态在传输的时候极易衰减，就像声音在风中传播会越来越小，最后消失在空气里一样。

实验里的数据显示，这四根线缆不仅能够扛住极低温环境的考验，其内部品质因数还达到了 94 万之多。这个数字代表了系统保存能量的能力，数值越高，说明能量的流失也就越少。

在微波频段之下，能够达到这个级别的品质因数的话，说明线缆的性能十分优秀。测量结果显示，量子态在这几根线缆上传输的平均保真度达到了 99%，这里面表现最好的一条链路，传输保真度更是达到 99.29%。这意味着量子信息在传递的时候，在绝大多数情况下都能完好无损地到达对面的芯片，这在微观世界里是十分难得的成绩。

除了简单的信息传输之外，研究团队还利用这些长距离耦合器，在两个独立的芯片之间建起了一条沟通的桥梁。他们在两个不同模块的量子比特之间，构建了远距离的双比特逻辑门，平均保真度达到 94.75%。

在量子计算中，逻辑门就好比是基本的算术运算，必须准确无误地完成这些运算，才能够得出正确的结果。这种跨越了空间的连接，让两块芯片上的量子比特产生了纠缠，这其实也是一种奇特的物理现象，两个量子比特就算相隔很远，也能瞬间影响彼此之间的状态。

在实验中，研究团队甚至成功让两个相邻的长距离耦合器同时工作，在两个模块上面生成了彼此独立的纠缠态。这证明这些连接线可以像电话线一样，同时去处理多路复杂的通信任务，并且不会互相串扰。

（来源：IBM）

本次技术的另一个亮点，在于它的组装方式。在组装大型量子计算机的时候，芯片一旦被放进制冷机，里面的空间就十分狭小。传统的连接方式通常需要在芯片放入之前就接好所有的线，一旦焊死就很难再动它。

而 IBM 这次使用了一种全新设计的弹簧加载线缆夹具，能够在芯片安装到位之后，再进行室温下的按压连接。这种设计不仅让安装过程变得更加灵活，也为将来把这些连线拔下来重新插拔维修提供了新的可能。

一个可以在极低温环境下反复冷却、又升温而不损坏的连接接口，对于制造实用的模块化量子计算机十分重要。毕竟，大型设备在运行过程中难免需要进行维护和升级，假如每次都要推倒重来，成本将会难以承受。

假设在未来的机房中，我们要用到成千上万个量子比特来研发新药或设计新型电池材料，仅靠单块芯片是根本装不下的。而本次这种将大系统拆解成多个模块，再用高速信号线连起来的新做法，给量子计算机的规模化指明了一条新道路。

目前，IBM 已经规划好了未来的路线图，这次的实验成果将能够直接用于他们未来的星鸟量子计算机项目。随着科学家们不断优化这些线缆的制造工艺以及传输精度，未来的量子计算机将能够像乐高积木一样，能够通过叠加更多的模块来获得更强大的算力，从而解决更复杂的计算问题。

不过，当前的实验还停留在研发阶段，许多技术细节还需要继续加以打磨。比如在组装过程中，如何确保多根线缆在制冷机里排列得更紧密，如何进一步提升连接稳定性，都是 IBM 接下来要解决的实际问题。

但是，这项研究已经证明通过模块化互联来扩展量子计算机的规模是切实可行的，当一条路走不通之时，换一种思维方式去绕开已有障碍，有时会迎来意想不到的转机。IBM 的科学家们正是通过这种试错和创新，把看似不可能的设想变成了现实。

随着这些底层技术的逐步完善，后续的量子计算机会变得更加可靠，也会慢慢从实验室走进人类生活，帮助人类在材料科学、药物研发和 AI 等领域取得更多突破，进而解决更多关乎生存与发展的重大问题。

参考资料：

https://www.ibm.com/quantum/blog/connecting-quantum-processors-with-l-couplers

https://arxiv.org/pdf/2610.29986v1

https://quantumzeitgeist.com/l-couplers-quantum-scaling-ibms-starling/

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成IBM用四根超导线缆实现芯片级协同，打破量子比特拥挤魔咒